Tema 3.3. METODOLOGIA TAXONOMIEI FILOGENETICE.

Cuvântul filogenie sau filogeneză (de la grecescul phylum – neam, trib; şi genia – origine)se utilizează în unul din cele două sensuri pe care le are:

1. Filogenia în sensul larg al cuvântului – prezintă dezvoltarea istorică a organismelor, ceea ce apropie foarte mult acest termen de termenul evoluţie.

2. Filogenia în sensul îngust – nu reprezintă toate aspectele dezvoltării istorice, ci numai succesiunea ramificaţiilor arborelui filogenetic. În cadrul acestui curs vom vorbi despre filogenie mai mult în sensul îngust al termenului.

Este considerat cert faptul, că clasificarea speciilor de organisme trebuie să fie bazată pe principiul ierarhiei stricte: fiecare grupă sistematică (taxon) intră în componenţa unui alt taxon de un nivel mai înalt, iar unul şi acelaşi taxon nu poate face parte din doi sau mai mulţi taxoni de acelaşi nivel. Din acest punct de vedere, clasificarea organismelor diferă esenţial de clasificările altor elemente naturale (a elementelor şi substanţelor chimice, de ex.). Din cele mai vechi timpuri sistema de clasificare a organismelor vii a fost creată nu pur şi simplu în calitate de clasificare comodă, ci ca o reflectare a unei legităţi obiective a naturii (cum spunea C. Linnaeus, nu caracterul determină genul, ci genul determină caracterul). Dar numai în rezultatul dezvoltării teoriei evoluţioniste a devenit clar mecanismul biologic, care determină existenţa unei asemenea legităţi. Unitatea unui taxon este determinată de faptul, că toţi membrii acestui taxon au provenit de la acelaşi strămoş, iar ierarhia sistemei este determinată de faptul, că mărirea numărului de specii are loc pe calea divergenţei (divizarea taxonului parental în două sau mai multe grupe taxonomice fiice), pe când formarea unui taxon din doi sau mai mulţi taxoni parentali este practic imposibilă.

Până în prezent încă nu există o părere comună, care să reflecte principiile de alcătuire a sistemei organismelor vii. Reprezentanţii diferitor şcoli de sistematică declară diferite principii de alcătuire a sistemei, iar mai des, principiile declarate nu corespund celor real utilizate

3.1. Metodele de descriere şi de reprezentare grafică a filogeniei.Grafic filogenia poate fi reprezentată în formă de linie ramificată (adică de dendrogramă),

care se numeşte arbore filogenetic, schemă filogenetică ori filogramă. Filograma poate fi considerată un grafic construit într-o manieră mai liberă decât graficele conform coordonatelor stricte.

În cazul prezentării filogramei în sistemul bidimensional, atunci una dintre dimensiuni este timpul, iar cea dea doua – măsura deosebirilor dintre organisme.

De obicei, dacă axa timpului este prezentată vertical, atunci evenimentele timpurii sunt aranjate în parte a de jos a filogramei, iar cele mai târziii – în partea superioară; dacă axa timpului este orientată orizontal, atunci evenimentele timpurii sunt situate la stânga, iar cele târzii – la dreapta. De obicei timpul este reprezentat conform unei anumite scări (mai des scara corespunde erelor şi perioadelor geologice, iar uneori este exprimată în mln ani, calculaţi în baza analizei cu izotopi.)

De mai multe ori însă, scara timpului nu este cunoscută, iar schema este efectuată fără exprimarea timpului. Într-o astfel de filogramă este reprezentată corect doar succesiunea evenimentelor, fără a respecta coordonarea lor cu perioadele concrete de timp şi cu durata lor.

Paleozoică Mezozoică Cainozoică Eracarbon Permiană Triasică Jrasică Cretacică Perioada

286 248 213 144 65 0 Mln ani

Des.1. Arborele filogenetic al AMNIOTA în scara erelor geologice

Des.2. Arborele filogenetic al AMNIOTA fără scara timpului.

De exemplu, conform desenului 2 nu este arătat, ce a avut loc mai devreme: apariţia păsărilor sau separarea mamiferelor în Prototeria şi Theria.

A doua dimensiune, care pe desenele 1 şi 2 este reprezentată vertical arată gradul divirgenţelor (deosebirilor).Aici fiecare linie reprezintă un taxon existent în timp, care este precăutat de către cercetători drept un întreg morfologic. Aceste două scheme reprezintă cu exactitate la nivel de clasă şi subclasă. În cazul, că dorim să exprimăm această schemă cu o exactitate mai mare, atunci în locul fiecărei linii ar trebui să fie desenat un mănunchi de linii sau un „tufar” de linii ramificate. Uneori, în loc de linii cu aceiaşi grosime se reprezintă dungi, lăţimea cărora depinde de numărul speciilor, care formează taxonul dat.

Distanţa dintre liniile filogramei reprezintă ruptura, care există între formele notate cu linii conform caracterului, care este pus la baza acestei filograme. De obicei, aceste deosebiri morfologie sunt reprezentate fără aplicarea unei scări speciale, cu toate că unii autori tind să atribuie anumite valori numerice deosebirilor, care pot fi calculate prin aplicarea diverselor metode.

Orice schemă filogenetică nu prezintă un desen terminat, ci doar un fragment al unei scheme filogenetice unice a tuturor organismelor , de aceea originea unei filograme separate este prezentată ca o tăietură într-un loc arbitrar, iar însăşi filograma are aspectul unei dendrite înrădăcinate.

Uneori pentru anumiţi taxoni este posibil de a reconstrui doar unele legături filogenetice în interiorul acestui taxon, fără a fi posibil de clarificat în ce mod acest fragment urmează a fi conectat la schema filogenetică a organismelor vii. În aşa caz avem exemplu de dendrită neînrădăcinată.

Reprezentarea grafică a filogenii, asemenea unui arbore se caracterizează prin capacitatea sa de a se ramifica. Iată de ce unul din sinonimele acceptate este arborele filogenetic. Însă spre deosebire de un arbore real, schema filogenetică nu are un trunchi principal. Pentru schemele filogenetice noţiunea de trunchi este echivalentă cu cea de ram. Unii cercetători, totuşi, nominalizează drept tulpină acele ramuri, care dau un număr maximal de ramificaţii în formă de specii. Spre deosebire de arborele adevărat, rădăcinile filogramei prezintă un punct de început al filogramei, selectat arbitrar. Orice arbore filgenetic întră în componenţa altuia, mai mare după complexitate şi la rândul său, de obicei este constituit din arbori de ordin mai mic.

3.2. Două abordări filogenetice Orice organism în mod tradiţional este descrs ca unitatea genotipului şi fenotipului.

Corespunzător, caracterele acestui organism pot fi divizate în caractere genotipice şi caractere fenotipice. Valoarea taxonomică a acestor caractere este diferită şi cere abordări complet diferite în procesul de selectare şi analiză a adatelor.

În practica taxonomiei se utilizează două abordări : fenotipică şi genotipică.Abordarea fenotipicăAbordarea fenotipică este bazată pe analiza fenotipului – complexului de caractere realizate

ale organismului. Fenotipul, de fapt este obiectul nemijlocit al selecţiei naturale. Modificarea lui este

determinată de un complex de acţiuni din exterior şi startegii de răspuns a populaţiei la aceste acţiuni. Similaritatea strategiilor de răspuns crează similaritatea fenotipurilor cu caracter convergent, care pot fi obţinute în baza diferitor genotipuri. Ca urmare fenotipul nu poate fi un criteriu de încredere al rudeniei dintre organisme, ci doar un criteriu de similaritate.

Cu toate acestea, caracterele, conform cărora sunt descrise organismele sunt practic, în exclusivitate fenotipice, iar pe parcursul sutelor de ani se caută metode, care ar permite reconstituirea mersului evolutiv în baza datelor fenotipice.

Problema de bază a abordării fenotipice constă în faptul, că fiecare organism posedă o mulţime enormă de caractere. Utilizarea întregii sume de caractere este imposibilă şi neraţională din caza volumului enorm de muncă, care urmează a fi efectuat. Deasemenea aplicarea unui mare număr de caractere secundare, duce la diminuarea valorii unor caractere mai importante. Din aceste considerente, taxonomiştii, de regulă preferă să opereze cu un mumăr restrâns de caractere fenotipice considerate mai importante. Esenţialitatea caracterului este definită ca greutare taxonomică.

Greutatea taxonomică – esenţialitatea caracterului din punct de vedere al aplicării lui în clasificarea organismelor vii.

Procedura de determinare a greutăţii taxonomice a caracterului poartă denumire de cântărire a caracterelor şi poate fi atât pur subiectivă, precum şi obiectivă din contul aplicării unor proceduri matematice logice.

Abordarea genotipică

Abordarea genotipică este bazată pe analiza genotipului – complexului de informaţie ereditară a organismului.

Genotipul este obiectul indirect al selecţiei naturale. Modificarea lui evolutivă are un caracter strict calitativ şi este determinată de evenimente întâmplătoare – mutaţii şi recombinaţii. Repetarea multiplă a unora şi aceloraşi evenimente, precum şi apartiţia independentă a unor genomuri asemănătoare, din punct de vedere statistic este puţin posibilă. Anume din aceste considerente compararea genotipurilor organismelor poate genera informaţii veridice despre gradul de rudenie dintre ele, exclude similaritatea convergentă şi permite de a reconstitui parcursul filogeniei.

În aşa fel taxonomia genetică este unica metodă obiectivă care permite de a reconstrui mersul filogeniei. Implementarea metodelor genetice lărgeşte esenţial posibilităţile cercetărilor, transformând taxonomia într-o ştiinţă exactă.

Dar în acelaşi timp, descrierea poziţiei sistematice absolut corecte a organismului este posibilă doar cu condiţia descifrării complete a genomului lui. Până în prezent acest lucru este realizat pentru un număr mic de specii. Lucrând cu anumite blocuri de material ereditar, cât de comode n-ar fi acestea pentru realizarea practică, cercetătorii sunt puşi în condiţiile posibilităţii de a pierde informaţii taxonomice importante.

Afară de aceasta, taxonii alcătuiţi în baza datelor genetice sunt caracterizaţi doar de secvenţele nucleotidice, fără a propune şi alte caractere diagnostice suplimentare. Aceste caractere diagnostice nucleotidice ale taxonilor sunt greu de aplicat de către sistematicieni în lucrările lor practice. Din aceste motive apare necesitatea fortificării caracteristicelor genetice cu caractere fenetice adecvate.

Transferul orizontal de gene, răspândit în şirul organismelor inferioare este unul din fenomenele, care reduce esenţial din credibilitatea faţă de metodele genetice. Posibilitatea potenţială de schimb a blocurilor întregi de informaţie genetică între organismele neînrudite reduce la zero convingerea, că succesiunea dată de nucleotide poate fi caracteristică doar formelor înrzdite. Din aceste considerente, atunci când datele genetice diferă esenţial de cele fenotipice, concluzia finală despre gradul de rudenie între anumiţi taxoni practic nu poate fi facută fără cercetări suplimentare.

Divergenţele genetice sunt evidente şi cognitive dar în cazul taxonilor superiori. La cercetarea taxonilor inferiori înrudiţi evidenţierea diferenţelor este destul de complicată. Astfel, cu toate că taxonomia genetică are o importanţă fundamentală incontestabilă necesită confirmare prin date fenetice adecvate.

3.3. Metodele de analiză a datelor taxonomiceCercetările taxonomice demult au depăşit limitele combinării arbitrare a taxonilor în

conformitate cu preferinţele ori viziunile cercetătorilor. În ultimele decenii a fost creată o bază metodologică puternică, care permite în cea mai mare măsură de a standardiza şi a face cât mai obiectivă activitatea taxonomiştilor. Cercetările contemporane în domeniul sistematicii implică utilizarea anumitor metode speciale.

Metoda tipologică

Metoda tipologică a fost fondată în baza analizei caracterelor unui organism. De fapt este o analiză cladistică a caracterelor fenotipice , care s-a stabilit în secolul XVIII. Construirea sistemei în baza metodei tipologice include următoarele etape:

1. Toţi indivizii sunt repartizaţi în grupuri în dependenţă de aceea, cu care dintre tipurile (etaloanele) cunoscute sunt identici aceştea. De cele mai multe ori se utilizează nu etaloanele ci descrierea lor în surcele bibliografice.

2. Se efectuează evidenţa caracterelor grupurilor create.3. Se efectuează evaluarea esenţialităţii caracterelor evidenţiate din punct de vedere al

clasificării – cântărirea caracterelor. În cadrul metodei tipologice această procedură poartă un caracter pur subiectiv li se bazează pe concepţia cercetătorului despre evoluţia grupului cercetat. În rezultatul evaluării fiecărui caracter îi este atribuită o anumită greutate taxonomică.

4. În dependenţă de greutatea taxonomică acordată , caracterele sunt repartizate în grupuri, iar fiecărui grup îi este acordat un anumit rang taxonomic. De exemplu, pentru alge caracterul componenţei pigmenţilor în cloroplaste caracterizează Filumurile, morfologia talului – clasele, structura aparatului flagelar – ordinele, iar tipul învelişurilor celulare – familiile.Asrfel, analizând caracterelor unui exemplar, care aparţine unei anumite specii, cercetătorul recunoaşte, că nu toate caracterele sunt tipice taxonului dat la nivel de specie. Fiecare exemplar poartă caractere de gen, familie, ordin, sau din contra, carctere de varietate, formă. Comparând între ele speciile, cercetătorul operează cu caractere strict specifice. Dacă aceste specii au fors atribuite unui gen, atunci urmează a lucra cu caractere de gen. La atribuirea exemplarului la o familie, în lucru se vor lua caracterele de familie ş.a.m.d. Asemenea complexe de caractere, care permit deosebirea unui taxon de altul de acelaşi rang poartă numele de grupuri tip.

5. Ultima etapă a analizei tipologice constă în delimitarea taxonilor. Pe parcursul acestui procespas cu pas, în corespundere cu greutatea taxonomică se iau în considerare stările caracterelor fiecărei grupe. La început sunt cercetate caracterele cu o greutate taxonomică mai mică, iar organismele sunt repartizate în taxoni inferiori. După aceasta sunt stuate caracterele cu o greutate taxonomică mai mare, iar taxonii mici sunt uniţi în taxoni superiori. Ca rezultat se alcătuieşte o sistemă clară a grupului studiat.

Avantaje: Metoda tipologică se caracterizează printr-o istorie lungă şi tradiţii adânci. A adus în sistematică multiple idei constructive, aşa ca delimitarea caracterilor de stările lor; noţiunea de grup – tip; precum şi noţiunea de exemplar tip, pe care se bazează practic toată nomenclatura biologică.Sistemele alcătuite în baza metodei tipologice se caracterizează prin caracter logic, comoditate în aplicare, deoarece sunt cel mai des alcătuite după principiul cheii de determinator. La clasificarea organismelor microscopice puţin studiate metoda tipologică este indicată.

Neajunsuri

Principalul neajuns al acestei metode este subiectivitatea principială a aprecierii valorii caracterelor. Este practic imposibil de a stabili nişte principii clare, universale, fundamentate de evaluare a caracterelor. Astfel, de pe poziţii teoretice metoda tipologică este foarte vulnerabilă, fiind în realitate nu atât o metodă ştiinţifică, cât o sistemă de reguli, utile în lucru de rutină al taxonomiştilor.

Metoda sistematico-evoluţionistăLa începutul anilor 1950 teoria taxonomică a fost supusă acţiunii unui nou curent –

sistematica evoluţionistă. Fondatorii acestui curent sunt ornitologul Mayer şi paleontologul Simpson, studiind diversitatea vertebratelor, au ajuns la concluzia , că este absolut imposibil de a descrie această diversitate cu ajutorul metodelor tradiţionale şi a principiilor unificate. Spre deosebire de adepţii metodei tipologice, ei afirmau, că caracterul nu poate avea o importanţă universală: în clasificarea unui grup un caracter paote fi important, iar în cazul unui alt grup – urmează a fi ignoratAstfel de caracter este si rudenia dintre taxonii superiori

E.Mayr a elaborat abordarea populaţională a acestei metode. Conform concepţiei lui, cercetarea taxonomică trebuie să fie bazată nu pe studierea exemplarelor –tip, ci pe compararea populaţiilor şi aprecierea variabilității intraspecifice.

J.Simpson a expus aspectul paleontologic al sistematicii evoluţioniste. Conform opiniei lui, stabilirea filogenezei unui anumit grup este un lucru util, dar nu este scopul de bază al sistematicii. Scopul sistematicii constă în a înţelege în ce mod sunt legate şi grupate organismele din punct de vedere biologic. Simpson considera că o sistemă biologică trebuie să conţină cât mai multă informaţie. Clasificarea şi filogenia sunt lucruri diferite, dar legate între ele.

Sistematica evoluţionistă clasică tinde să includă cât mai multă informaţie de natură evoluţionistă în sistema lumii organice. Clasificarea formală este o încercare de a reflecta în acelaşi timp legăturile de rudenie şi gradul de divergenţă între organismele înrudite. E clar, că o corespundere absolută între clasificare şi filogenie este imposibilă.

În baza acestor idei a fost elaborată o sistemă originală de analiză a datelor taxonomice, care constă din trei etape de bază.

1. Se efectuiază o cercetare multilaterală a unui grup de organisme conform tuturor parametrilor fenotipici: morfologici, fiziologici, ecologici, etologici ş.a. În limita posibilităţilor, studiul include şi cercetarea populaţiilor reale, a structurii lor, hotarelor arealului, gradului de izolare ş.a. Se cercetează deasemenea filogeneza grupului, preferenţial conform datelor paleontologice.

2. Din complexul de date, cercetătorul în fiecare caz în parte le selectează pe acele, care au o valoare mai mare.Asemănarea dintre organisme şi rudenia presupusă dintre acestea se precaută în calitate de parametri echivalenţi , iar cercetătorul are dreptul să decidă, în ce măsură relaţiile de rudenie va influenţa strucrura clasificaţiei. Cu alte cuvinte are loc aceiaşi apreciere a valorii caracterelor, dar de data aceasta cu participarea unui nou parametru – filogenia.

3. În baza criteriilor selectate, organismele se grupează în taxoni. Dacă în limitele unui taxon superior (de exemplu clasa A) se evidenţiază un grup (ordinul b), care a obţinut pe parcursul evoluţiei anumite caractere distinctive faţă de alte ordine ale acestei clase ,

taxonomistul poate separa acest ordin în calitate de clasă separată – clasa B. În acest caz lasa A este considerată strămosul actual al clasei B. Un asemenea raport al taxonilor, cunoscut ca parafilie (termenul va fi explicat în continuare) este recunoscut dar de adepţii metodei sistematico-evoluţioniste.

Avantaje: Cercetările fundamentale ale adepţilor metodei sistematico-evoluţioniste au contribuit esenţial la studiu organismelor superioare. Ei au demonstart caraterul limitat al clasificărilor tipologice şi au luat asupra sa efortul titanic de a studia fiecare specie. În stusiul taxonilor inferiori ai organismelor superioare această metodă este o direcţie prioritară în continuare.

Neajunsuri:Volumul mare de lucru implicat în realizarea metodei sistematico-evoluţioniste face posibilă aplicarea ei doar pentru taxonii inferiori. În cazul taxonilor superiori eficienţa metodei este limitată de imposibilitatea aplicării criteriilor reproductiv şi ecologo-populaţionale.În prezent nu există metode, care permit de a aprecia caracterele grupurilor descendente şi de a aprecia, care dintre ele urmează a fi scoase după limitele grupului strămoş, şi care urmează să fie lăsate în componenţa lui. Deaceea recunoaşterea grupelor parafietice duce după sine subiectivizarea cercetărilor taxonomice.Metoda nu poate fi aplicată atunci, când lipseşte posibilitatea de studiu a populaţiei şi efectuării încrucişărilor: lucru cu microorganismele în materiale naturale, cercetările în ierbare şi colecţii, sau atunci când obiectul studiat nu este capabil de a se reproduce pe cale sexuată. Ca urmare, aplicarea acestei metode în domeniul micologiei, algologiei, protozoologiei, bacteriologiei este limitată.

Metoda fenetică Spre deosebire de alte principii de clasificare ale organismelor, fenetica nu ia în consideraţie

filogenia organismelor studiate. La baza feneticii se află tendinţa de a transforma sistematica într-un domeniu cât mai obiectiv, empiric, independent de viziuni subiective şi diverse speculaţii. În această ordine de idei filogenia este considerată ca inutilizabilă pentru sistematica obiectivă deoarece constituie o ipoteză, care nu poate fi demonstrată obiectiv şi conţine premise subiective. Într-adevăr, filogenia nu poate fi studiată prin metode directe, şi pentru reconstrucţia filogenetică este nevoie de a utiliza metode indirecte, care nu întotdeauna dau un rezultat univoc.

Astfel, conform opiniei adepţilor feneticii, baza adecvată a sistematicii în loc de filogenie trebuie să fie constituită din caracterele organismelor, deoarece caracterele există obiectiv şi nu sunt ipotetice. Se consideră, că toată diversitatea caracterelor organismelor constă din unităţi ale fenotipului – fene (numite astfel prin analogie cu genele, deoarece se considera, că fiecare fenă este determinată de existenţa unei gene – unitate elementară a genotipului). În fenetică toate fenele se consideră echivalente, deoarece, selectarea fenelor mai mult sau mai puţin importante este subiectivă şi ar duce la o clasificare subiectivă. Idea a fost formulată de către Adanson. Este evident, că dacă la alcătuirea unei sisteme vor fi folosite caracterele, toate fiind considerate echivalente, atunci o asemenea sistemă nu va avea caracter ierarhic, deoarece unele caractere se întâlnesc în diferite combinaţii. De asemenea sistema alcătuită nu va fi univocă, deoarece va depinde de caracterele luate în consideraţie la alcătuirea ei.

În acelaşi timp fenetica indică asupra strictei necesităţi de a alcătui o sistemă strict ierarhică şi univocă. Pentru atingerea acestui obiectiv în fenetică se utilizează metodele matematice (analiza

cluster), care sunt bazate pe calcularea indicelui mediu de asemănare în baza repartizării multiple a caracterelor. Reprezentarea grafică a rezultatului unei asemenea analize prezintă un arbore ierarhic unic ramificat (dendrogramă), care poartă numele de fenogramă.

Fenograma nu trebuie confundată cu filograma (arborele filogenetic). Într-o filogramă ramificaţiile indică asupra gradului de înrudire a grupelor filogenetice, pe când în fenogramă fiecare ramificaţie reflectă nivelul de asemănare calculat pentru un anumit grup arbitrar de caractere, selectate arbitrar prin metodele matematice. Din aceste considerente, pentru o anumită grupă de organisme există o singură filogramă corectă, în timp ce pentru aceiaşi grupă de organisme există un număr nelimitat de fenograme corecte. Organismele, care se caracterizează printr-un anumit nivel de asemănare se unesc într-un taxon , numit fenon . În aşa mod un fenon întruneşte organismele după nivelul de asemănare, independent de gradul lor de rudenie. În dependenţă de caracterele selectate pentru analiză şi de metodele matematice utilizate se pot obţine clasificări fenetice diverse pentru unele şi aceleaşi organisme.

Se vehicula idea, că cu cât mai multe caractere vor fi luate în consideraţie în procesul de analiză fenetică şi cât mai performante vor fi metodele matematice aplicare, cu atât diferitele clasificări fenetice ale unora şi aceloraşi organisme se vor apropia spre o clasificare „ideală naturală”. Însă, deoarece filogenia este ignorată conştient de către analiza fenetică, este neclar, în baza căror mecanisme naturale ar fi posibil acest lucru. Experienţa analizei matematice a demonstrat, că la mărirea numărului de caractere incluse în calcul tot una nu are loc apropierea fenogramelor..

În aşa mod, fenetica nu numai că nu salvează sistematica de ipoteze, ci din contra, o pune în dependenţă de ipoteza vagă a existenţei unei sisteme naturale, nebazate pe filogenie.fenetica nu numai că nu diminuiază elementul subiectiv în sistematică, ci din contra, măreşte subiectivismul clasificării, deoarece presupune selectarea subiectivă atât a caracterelor, cât şi a metodelor matematice de analiză.

Conform caracterelor Conform caracterelorfemelei mature cariotipice

Fig. 4.3. Diferite fenograme pentru acelaşi grup de specii din genul Chironomus obţinute în baza analizei diferitor caractere

Metoda elaborată iniţial pe baza acestor principii a fost numită taxonomie numerică În anul 1965 Mayr a propus denumirea acestei direcţii ca FENETICĂ. Deasemenea aceată direcţie mai este numită şi taxonomie Adanson.

Pe măsura dezvoltării matematicii statistice au fost elaborate programe de compiuter care au permis o răspândire largă a metodei fenetice.Cea mai mare popularitate printre ele au obţinut-o Excel, Statistica. PAUP. Datorită acestor programe practic cele mai complicate cercetări numerice sunt acum accesibile fiecărui sistematician.

Construirea clasificării cu ajutorul metodei fenetice include următoarele etape:1. La prima etapă se efectuaiză descrierea detaliată a unui număr maximal posibil de

caractere calitative şi cantitative ale organismului. Este necesar de a avea rezultatele multiplelor măsurări (înregistrări) ale caracterului . Pentru caracterele cantitative se utilizează rezultatele măsurărilor, iar pentru caracterele calitative se aplică cifrarea lor în formă de cod numeric. În cel mai simplu caz se utilizază codul „0/1”, adică echivalentul „lipseşte/este”. În caz că caracterul calitativ poate avea mai multe variate alternatve, de exemplu culoarea poate fi gri, neagră, maro, atunci caracterele pot fi codate astfel „gri=1; maro=2; negru=3”.Toate datele numerice obţinute în aşa mod se întroduc într-un tabel unic – tabelul primar. Completarea acestui tabel se face fără aplicarea posibilităţilor programelor compiuterizate şi este etapa, ce implică cel mai mare volum de lucru.

2. Datele colectate sunt supuse analizei statistice cu utilizarea programei compiuterizate. Se clarfică cărui tip de repartizare matematică se supune fiecare şir al fiecărui caracter, se calculează media valorilor obţinute, devierea standartă şi alţi parametri statistici. La această etapă este recomandat de a efectua analiza corelaţională a caracterelor, care permite de a evidenţia în ce măsură aceste manifestări se aseamănă la diferiţi taxoni.De exemplu caracterele 1 şi 2 pot fi considerate ca corelante faţă de taxonii A şi B dacă în taxonul A ambele caractere se abflă în starea „0” , iar la taxonul „B” – în starea „1”.

3. Toate datele matricii primare se supun standartizate (normalizate) – are loc recodificarea tuturor caracterelor în conformitate cu o scară unică de la -1 la +1. Aceasta permite de a trece toate valorile din matrice într-o formă comparabilă. Standardizarea se face în conformitate cu formula Xn=(X-X)/2D, unde Xn este valoarea standardizată, X – valoarea iniţială, X – valoarea medie a parametrului, iar D – dispersia parametrului X. În rezultat se crează o matrice secundară.

Matricea primară Matricea secundară

Taxon Culoa-rea

Diam-etrul

Înălţi-mea

Lăşi-mea

Taxon Culoa-rea

Diam-etrul

Înălţi-mea

Lăşi-mea

A 0 1 5 1 A -0,9 -0,7 -1,4 -0,8B 0 1 10 1 B -0,9 -0,7 0,3 -0,8C 1 2 12 2 C 0,9 -0,1 0,9 1,3D 1 5 10 3 D 0,9 1,5 0,9 1,3

4. Valorile din matricea secundară se analizează de pe poziţia asemănărilor şi deosebirilor. Există două procedee de bază care permit de a realiza această analiză: analiza de cluster şi analiza factorială.În cazul analizei de cluster toate valorile care sunt introduse în matrice se grupează în perechi în toate combinaţiile posibile, iar pentru fiecare pereche se calculează măsura

asemănării matematice, de exemplu, distanţa Euklidiană (distanţa liniară între punctele –taxoni în sistema de coordoate a două caractere).În cazul analizei factoriale compiuterul analizează concomitent toţi taxonii în spaţiul multidimensional al caracterelor şi selectează 2-3 factori ( de regulă, care nu corespund caracterelor concrete), care permit de a exprima mai deplin distanţa dintre taxoni în în spaţiul bi- sau tridimensional corespunzător.

5. Compiuterul generează o reprezentare grafică a datelor, obţinute în rezultatul analizei asemănărilor şi deosebirilor. Datele analizei de cluster sunt de obicei reprezentate în formă de diagramă de cluster (dendrogramă, fenogramă) – schemă în formă de arbore, în care distanţa dintre taxoni este reprezentată printr-o linie de legătură.Rezultatele analizei factoriale sunt prezentate în formă de sistemde coordonate bi- sau tridimensionale. În care taxonii sunt arătaţi sub formă de puncte.

6. Taxonii sunt grupaţi după principiul apropierii maxime în măsurări, care sunt propuse de către analiza de cluster ori de cea factorială. Grupele obţinute, la rândul lor sunt grupate în grupiri de un ordin mai înalt, până la obţinerea unui singur supertaxon, care îi include pe toţi ceilalţi. Fiecărui grup format i se atribuie un anumit rang taxonomic. Ca rezultat seobţine o sistemă ierarhică.

Avantaje:Avantajul metodei constă în caracterul ei obiectiv şi stricteţea ştiinţifică. Aparatul matematic puternic permite de a aprecia exact asemănarea şi deosebirea multifactorială între diferite organisme, de a depista hiaturile (rupturile) între grupurile înrudite, de a evalua gradul de corelare între caracterele analizate. Acest lucru este necesar în special în procesul de studiu al taxonilor inferiori ( genuri, specii, varietăţi) şi formelor fosile.

Dezavantaje:Egalitatea caracterelor – este o presupunere foarte dubioasă. Independent de abordare, diferite caractere vor avea o importanţă diferită în alcătuirea sistemei. Clasificările fenetice, care nu iau în veder acest lucru, de obicei se dovedesc a fi teoretic lipsite de conţinut.Analiza numerică este bazată pe evaluarea asemănării dintre organisme şi nu poate depista nivelul de înrudire a lor, deoarece asemănările des au un caracter convergent.Cu toate că diagrama de cluster are aspectul unui arbore filogenetic, de fapt nu are nimic comun cu acesta, deoarece nu descrie mersul evoluţiei, deaceea are o utilizare foarte neînsemnată în analiza filogenetică.Deoarece siatematica contemporană se bazează în primul rând pe abordarea filogenetică, utilizarea metodei numerice devine neactuală, în special în ceea ce priveşte taxonii superiori.

Metoda cladistică Fondatorul analizei cladistice (de la grecescul cladus – ram) este entomologul german Willy

Henning (1913-1976), care în anul 1950 publică cartea "Grundzuge einer Theorie der phylogenetischen Systematik" (traducerea în engleză "Phylogenetic systematics", care l-a făcut de fapt celebru a apărut în SUA în 1966). De fapt în lucrarea sa Henning nu a propus o metodă nouă. El a utilizat metodele, pe care biologii le foloseau de foarte mult timp (chiar şi Lamarck în „Filozofia zoologiei” reproduce o schemă filogenetică, care putea fi construită numai prin metode de cladistică). Meritul lui Henning constă în aceea, că el pentru prima dată a descris succesiv metodele de reconstrucţie filogenetică, iar lucrarea sa i-a impus pe alţi cercetători să formuleze clar acele principii, pe care le folosesc în procesul reconstrucţiei filogenetice. Meritul lui Henning mai constă şi în introducerea unor termeni foarte importanţi.

Termenii apomorfia şi plesiomorfiaTermenul de apomorfie (grecescul apo – de la) sau caracter apomorf înseamnă caracter

progresiv, secundar, evolutiv. Termenul de plesiomorfie (grecescul plesios – apropiat) sau caracter plesiomorf înseamnă

caracter primitiv, iniţial, ancestral, de la strămoş, sau caracter generalizat.Apomorfia şi plesiomorfia sunt două stări diferite ale caracterului până la şi după

modificarea căreia a fost supus evolutiv acest caracter. Aceste noţiuni de asemenea sunt relative. Dacă evoluţia merge de la starea A a caracterului spre starea B, apoi spre C, atunci Starea B este apomorfă faţă de A şi plesiomorfă faţă de C. Termenii daţi au un singur sens – direcţia modificării evolutive a caracterului dat în cazul dat. Apomorfia, care deosebeşte un taxon de toţi ceilalţi taxoni se numeşte autoapomorfie, iar cea, care este caracteristică pentru mai mulţi taxoni se numeşte sinapomorfie.

Plesiomorfia comună pentru mai mulţi taxoni se numeşte simplesiomorfie.

Analiza filogenetică pe baza apomorfiilorAnaliza cladistică se bazează pe presupunerea, că modificările evoluţioniste sunt ireversibile.

Deci, dacă mai mulţi taxoni au acelaşi caracter apomorf (sinapomorfie), atunci aceşti taxoni au moştenit caracterul dat de la un strămoş comun, şi deci, aceste grupe taxonomice formează un ram filogenetic comun. Pentru a demonstra că câţiva taxoni formează un ram filogenetic comun trebuie de demonstrat prezenţa a cel puţin unei sinapomorfii, care este o autoapomorfie pentru toţi taxonii precăutaţi, ceea ce demonstrează, că aceşti taxoni au moştenit caracterul progresiv corespunzător de la acelaşi strămoş şi formează o singură ramură filogenetică.

Astfel, pe desenul 3 apomorfia caracterului 3 este o sinapomorfie pentru taxonii C şi D şi o autoapomorfie pentru ramura C-D. Această apomorfie demonstrează relaţia existenţă a ramurii C-D membrii căreia au provenit de la un strămoş ipotetic comun –e, la care a şi apărut apomorfia acestui caracter. În acelaşi timp prezenţa simplesiomorfiilor la câţiva taxoni nu vorbeşte despre aceea, că aceştea au un strămoş comun. Astfel plesiomorfia caracterului 3 la taxonii A şi B nu ne permite să vorbim despre originea lor comună sau rudenia lor. Putem spune doar că aceşti doi taxoni nu aparţin ramurii filogenetice C-D.Simplesiomorfia caracterului 2 la taxonii B,C,D de asemenea nu ne permite să afirmăm apartenenţa lor la aceiaşi ramură filogenetică, în schimb putem afirma acest lucru în baza siapomorfiei caracterului 1.

Des.3. Reconstrucţia relaţiilor filogenetice dintre 4 taxoni (A,B,C,D) în baza analizei a şase caractere (1-6); e şi f - taxoni strămoşi ipotetici; dreptunghiuri necolorate – stare plesiomorfă a caracterului; dreptunghiuri negre – starea apomorfă a caracterelor; linia gri – sinapomorfie.

Astfel, arborele filogenetic alcătuit doar în baza analizei cladistice poartă numele de cladogramă şi se deosebeşte de alte tipuri de arbori filogenetici prin aceea, că conţine informaţie doar referitor la succesiunea ramificaţiilor, fără referinţă la timpul absolut când are loc ramificarea şi la gradul de divergenţă între ramuri.

Determinarea polarităţii caracteruluiPentru determinarea polarităţii caracterului (adică clarificarea stării caracterului plesiomorfă

ori apomorfă) se aplică principiul grupului extern. Pentru a exemplifica acest principiu ne vom întoarce la des. 3. Am clarificat deja existenţa unor ramuri filogenetice, de exemplu ramura B-D. pentru a clarifica relaţiile în interiorul acestui grup se cercetează caracterele, care se deosebesc la reprezentanţii din diferiţi taxoni ai grupului (în cazul nostru este vorba despre caracterele 3-6). Starea plesiomorfă a caracterului este acea, care în afară de această grupă se mai întâlneşte în alte grupuri, care ocupă o poziţie externă faţă de taxonii B-D. În acelaşi timp starea apomorfă a caracterului este acea stare, care în afara grupului dat nu se întâlneşte la alte grupuri externe.

De exemplu printre Lepidoptera sunt foarte mulţi reprezentanţi, aparatul bucal al cărora este de tip „de supt”, format dintr-o trompă răsucită şi 2 palpi. În acelaşi timp se mai întâlneşte o familie Micropterygide, la care aparatul de supt are o structură complicată fiind combinat cu cel de ros. Ar fi de prisos şi nerezultativ să discutăm despre aceea, care tip al aparatului bucal este plesiomorf şi care este apomorf, ce este mai important şi în ce direcţie a mers procesul evolutiv. Deoarece aici avem dea face cu direcţia de acţiune a selecţiei naturale, care se poate manifesta foarte diferit în diferite condiţii.

De aceea unica ieşire este de a compara aceste tipuri de structură a aparatului bucal atât în interiorul grupei, precum şi în afara ei. A fost demonstart, că apart de tipul trompei simple nu se întâlneşte decât la reprezentanţii ordinului Lepidoptera, pe când aparat bucal de tip „de ros” este larg

răspândit în alte grupe sistematice. Astfel, aparatul bucal de tip ca la Micropterygide este un caracter de tip plesiomorf, pe când aparatul de tip „de supt” este un caracter apomorf.

Noţiune de mono-; poli-; para- şi holofilieÎn dependenţă de natura filogenetică a taxonilor, aceştia se împart în monofiletici (cu

variaţiile parafiletici şi holofiletici) şi polifiletici. Termenii de monofilie şi polifilie au fost întroduşi pentru prima dată de către Haeckel în sec.

XIX şi se utilizează de atunci, necătând la faptul, că nu au fost caracterizaţi prin definiţii stricte. Din cauza lipsei unei definiţii clare mulţi cercetători au propus diferite variante de interpretare a termenilor, uneori chiar contradictorii. Cel mai general mod de exprimare a termenilor daţi este următorul: taxon monofiletic este taxonul care provine de la un strămoş, iar taxon polifiletic este cel, care provine de la mai mulţi strămoşi diferiţi. Dar, pornind de la faptul, că toate organismele au provenit de la un strămoş comun, atunci o asemenea determinare a definiţiei este evident insuficientă, deoarece conform ei orice taxon până la urmă este monofiletic.

Una din definiţiile de alternativă propusă de Mayr, 1971, sună în modul următor: „taxonul monofiletic este un asemenea taxon , care provine pe una sau mai multe linii de la un taxon nemijlocit parental de acelaşi nivel, sau de un nivel mai mic”. Această definiţie este criticată pe larg, deoarece este în dependenţă de o noţiune artificială, aşa ca nivelul taxonului. În această ordine de idei ar fi posibil de a numi drept monofiletic orice taxon, dacă determinăm într-un mod care corespunde cazului nivelul lui.

Conform definiţiei acceptate în prezent de către sistematicienii diferitor şcoli taxon MONOFILETIC în sensul larg al cuvântului se numeşte acela, care include în sine strămoşul, comun pentru toţi membrii acestui taxon, precum şi toate ramurile filogenetice, care duc de la acest strămoş la fiecare membru al taxonului. Deoarece strămoşul taxonului, precum şi alte forme parentale de obicei lipsesc din natura contemporană şi sunt necunoscute cercetătorilor, este mai exact de a spune, că strămoşul nu este parte componentă a taxonului monofiletic, ci corespunde diagnosticului taxonului dat.

Taxonii monofiletici în sensul larg al cuvăntului se împart în holofiletice (adică monofiletici în sensul îngust) şi parafiletici.

Taxon holofiletic sau strict monofiletic se numeşte acela, care pe lângă faptul, că include în sine strămoşul, şi toate ramurile filogenetice, care duc la fiecare membru al taxonului, mai include şi toţi descendenţii strămoşului comun. Pe desenul 4. holofiletice sunt taxoanele A-B-C-D-E şi B-C-D. Printre caracterele, care caracterizează taxonul holofiletic se numără de obicei apomorfiile, sau caracterele constitutive ale taxonului, care prezintă sinapomorfii pentru toate grupele, care intră în componenţa taxonului. Astfel, apomorfia apărută la strămoşul comun al taxonului holofiletic se va păstra la toţi descendenţii acestui strămoş, iar deoarece, descendenţii acestui strămoş nu pot fi găsiţi în afara taxonului dat, nici apomorfia dată nu poate fi găsită decât în acest taxon holofiletic. Din această definiţie rezultă, că taxonul holofiletic nu poare fi taxon strămoş pentru un alt taxon, deoarece, toate formele, care provin de la membrii taxonului holofiletic sunt incluşi anume în acest taxon. Dacă taxonul polifiletic este separat printr-o curbă închisă pe arborele filogenetic, atunci această curbă va întretăia arborele filogenetic doar într-un singur punct, care corespunde intrării în taxon. Prima parte a termenului holofilie provine de la grecescul holos, care înseamnă întreg. Astfel,

un taxon holofiletic este constituit dintr-o ramură filogenetică întreagă, care este conectată la arborele filogenetic doar într-un singur punct – baza acestei ramuri, şi include toate ramificaţiile ei.

Taxon parafiletic se numeşte acela, care include în sine strămoşul, toate ramurile filogenetice, care duc la fiecare membru al taxonului, dar nu include toţi descendenţii strămoşului comun. Spre deosebire de taxonul holofiletic, taxonul parafiletic este strămoşul unui alt taxon (sau mai multor taxoni) şi se deosebeşte de acesta (aceştia) doar prin plesiomorfii. Pe desenul 4 taxonul parafiletic A-B-D-E este taxon strămoş pentru taxonul C. Dacă pe schema filogenetică taxonul parafiletic este încercuit cu o curbă închisă, atunci aceasta va intersecta schema în mai multe puncte – o dată la intrarea în taxon şi o dată sau de mai multe ori la ieşirea din el.

Taxon POLIFILETIC este acela, care nu include strămoşul comun pentru toţi membrii taxonului, ori care nu include anumite segmente ale ramurilor filogenetice, care unesc strămoşul comun cu careva din membrii taxonului. Cu alte cuvinte strămoşii nu corespund diagnosticului de taxon. Caracterele, conform cărora se face diagnosticul taxonului au apărut pe parcursul evoluţiei în mod independent de mai multe ori. Pe figura 4 sunt arătaţi taxonii polifiletici A-B şi A-B-E. dacă taxonul polifiletic este încercuit pe arborele filogenetic printr-o curbă închisă, atunci această curbă va intersecta în mai multe puncte arborele – de cel puţin 2 ori la diferite intrări în taxon.

Pentru a evita situaţiile confuze, de obicei termenul de monofilie este înlocuit cu varianta corespunzătoare de holofilie şi parafilie, fiecare dintre care este determinat destul de univoc.

a) b) c) d)Holofilie (a) Parafilie(b) Polifilie(c,d)

Des.1. Taxoni holofiletici (a), parafiletici (b) şi polifiletici (c şi d)

ExempluExemplul clasic de taxon parafiletic este clasa Reptilia. Conform teoriei filogeniei acestei

grupe, de la dinozauri au provenit păsările. Dinozaurii sunt parte componentă a taxonului Reptilia, pe când Aves – nu. Pentru păsări este separat un alt taxon – clasa păsărilor. Clasa Aves este un taxon holofiletic şi se caracterizează printr-un complex de apomorfii, inclusiv – prezenţa penelor, formaţiuni pieloase, provenite din modificarea solzilor la reptile. În acelaşi timp, taxonul parafiletic Reptilia nu are şi nu poate avea apomorfii caracteristice clasei Aves, iar toate caracterele, care deosebesc clasa reptile de clasa păsări sunt caractere plesiomorfe (de exemplu prezenţa solzilor). Fig. 5 .

Fig.5. Taxonul parafiletic Reptilia.

Tabelul 1. Noţiuni de Holofilie, Parafilie şi Polifilie

Taxonul studiat Include toţi descendenţii strămoşului comun

Include unii descendenţi ai strămoşului comun

Include strămoşul comun Holofiletic(sau strict monofiletic)

Parafiletic

Nu include strămoşul comun polifiletic

Domenii de aplicare a analizei cladistice.Analiza cladistică în forma sa clasică este destinată reconstrucţiei filogenetice, care se

bazează pe divergenţe, când schema filogenetică are aspect de arbore ascendent ierarhic, şi nu de reţea. Analiza cladistică nu este destinată studiul acelor cazuri de evoluţie, când la mecanismele obişnuite de divergenţă se alătură asemenea factori ca hibridizarea, simbiogeneza sau transducţia; în aceste cazuri arborele filogenetic capătă aspect de reţea. În linii generale, analiza cladistică este aplicată pentru analiza taxonilor nu mai mici decât specia. Între taxonii intraspecifici nu există izolare reproductivă şi deci, relaţiile de rudenie dintre ele nu poartă un caracter de arbore filogenetic, ci de reţea, de aceea nu pot fi depistate prin analiză cladistică.

Mulţi cercetători aplică analiza cladistică pentru stabilirea legăturilor filogenetice între specii. În linii generale aceasta este posibil, dar procentul de erori este destul de mare din cauza că afară de sinapomorfii (caractere moştenite de la acelaşi strămoş) speciile apropiate pot manifesta diferite caractere omoloage, apărute independent. Aceasta se întâmplă, deoarece foarte des se moşteneşte nu caracterul fenotipic, ci gena, sau combinaţia de gene, care în anumite circumstanţe asigură ori nu exprimarea caracterului dat. Caracterul omolog, care apare independent poate fi confundant uşor cu caracterul sinapomorf, care se manifestă doar în anumite circumstanţe. În acest caz analiza cladistică va duce la rezultate eronate. Cu cât mai apropiate din punct de vedere filogenetic sunt taxonii supuşi analizei cladistice, cu atât mai mare este probabilităţii apariţiei erorilor, deoarece în aceste grupe este foarte mare probabilitatea apariţiei caracterelor omoloage independente.

Dacă fiecare din taxonii supuşi analizei cladistice conţine un număr mare de specii diverse, este de aşteptat că caracterele ascunse comune ale taxonului se vor manifesta la unele din speciile lui. În acest caz asemenea caractere se exclud din analiza cladistică. Iată de ce, cu cât mai înalt este gradul taxonului examinat şi cu cât mai multe grupe taxonomice incluse cuprinde el, cu atât

rezultatele obţinute sunt mai aproape de adevăr. Cele mai puţin autentice rezultate se obţin la analiza cladistică a speciilor.

Aplicarea caracterelor moleculare în analiza cladisticăAplicarea caracterelor moleculare ale taxonilor asigură o depistare mai eficientă a legăturilor

filogenetice între ele. De obicei se efectuiază analiza cladistică în baza succesiunii aminoacizilor în componenţa proteinelor precum şi succesiunea nucleotidelor în anumite molecule de ADN şi ARN ale reprezentanţilor diferitor taxoni. La prima vedere s-ar părea, că la aplicarea analizei cladistice a succesiunii bazelor azotate rezultatul obţinut va fi unic pentru reconstrucţia filogenetică. Pentru analiza caracterelor moleculare se utilizează soft-ri specializate, care se bazează pe presupunerea, că toate mutaţiile sunt equiprobabile. În aşa caz apariţia unei mutaţii de acelaşi tip în unul şi acelaşi loc la diferiţi taxoni este puţin probabilă. Ca urmare se presupune că prezenţa unei mutaţii similare la diferiţi taxoni vorbeşte despre sinapomorfia lor şi despre faptul, că a fost moştenită de la un strămoş comun, ceea ce permite stabilirea legăturilor filogenetice între taxoni.

În realitate însă lucrurile stau altfel şi mutaţiile nu sunt equiprobabile. Genomul organismelor este înzestrat cu mecanisme complicate de reglare, iar în componenţa materialului genetic sunt structuri cu capacitate foarte înaltă de mutaţie şi invers, cu capacitate de mutaţie nulă. Sinapomorfii credibile sunt acelea, care apar în segmentele caracterizate prin activitate mutaţională joasă şi foarte joasă. Deacea, pentru reuşita analizei cladistice în baza caracterelor moleculare este foarte importantă selctarea segmentelor, compararea cărora ne va oferi informaţie satisfăcătoare pentru stabilirea legăturilor filogenetice.

Din considerente că stabilirea succesiunii nucleotidelor este un proces foarte laborios, des este suficient de a efectua examenul comparat al unor părţi ale genotipului.

O metodă, care permite compararea genitipurilor integre este metoda hibridării moleculare ADN. ADN-ul colectat de la 2 taxoni diferiţi supuşi comparării se supune despiralizării cu obţinerea fragmentelor monocatenare şi se amestecă. Prin crearea condiţiilor speciale se provoacă formarea spiralelor bicatenare complementare . Separând segmentele bicatenare de cele monocatenare se calculează partea regiunilor complementare – adică a regiunilor identice pentru ambii taxoni. Pentru a compara mai mult decât doi taxoni unul din ei este selectat în calitate de reper şi se amestecă consecutiv ADN-ul lui cu ADN celorlalţi taxoni (cu câte unul). Rezultatul analizei comparative nu este influenţat de faptul, care dintre taxoni a fost selectat drept reper. În cazul unui asemenea tip de analiză caracterele comune (secvenţele nucleotidice identice) nu pot fi separate în sinapomorfe şi sinplesiomorfe, deacea nu poate fi aplicată analiza cladistică. Hibridizarea moleculară a ADN permite stabilirea exactă a gradului de similitudine genetică între oricare specii, dar nu permite stabilirea legăturilor filogenetice între ele.

Principiile cladisticii: Analiza cladistică este bazată pe un complex de principii teoretice, cunoaşterea cărora

permite de a aprecia obiectiv posibilităţile acestui rip de analiză.Există patru principii de bază ale cladisticii:

Principiul siapomorfiei; Rincipiul monofiliei stricte; Principiul grupurilor înfrăţite; Principiul parsimoniei.

Principiul SinapomorfieiToate caracterele unui organism sunt apreciate de către un cladist din punct de vedere al

naturii lui primitive (pleziomorfiei) sau progresive (apomorfiei). Dacă câţiva taxoni sunt uniţi printr-un caracter apomorf, atunci se vorbeşte despre sinapomorfii. Apariţia la doi taxoni a unui caracter plesiomorf se numeşte sinpleyiomorfie. În cele din urmă, prezenţa la un taxon a unor caractere unicale, care nu se întâlnesc la alţi taxoni poartă denumirea de autapomorfie.

Esenţa principiului sinapomorfiei constă în aceea că pentru construirea clasificaţiei filogenetice au importanţă numai caracterele sinapomorfe. Caracterele pleziomorfe şi autapomorfe nu poartă informaţie taxonomică.

Statutul caracterului se poate modifica în dependenţă de nivelul ierarhic studiat: un caracter apomorf la un anumit nivel de investigare: un caracter apomorf la un anumit nivel de cercetare devine deja pleziomorf.

De exemplu, membrele cu 5 degete ale omului, şopârlelor şi broaştelor la compararea lor cu înotătoarele peştilor sunt un caracter sinapomorf şi prezintă o dovadă elocventă a originii lor comune. Dar în acelaşi timp la unele animale terestre membrele posterioare au câte 4 degete (păsările), 2 degete (paricopitatele), sau 1 deget (imparicopitatele). În procesul de elucidare a legăturilor filogenetice dintre oameni, amfibieni şi cai de exeplu, în mod eronat se poate contrapune memrul cu 5 degete celui cu un deget.. dar dacă este respectat principiul sinapomorfiei pericolul erorii dispare, deoarece apariţia membrului uniddigitat este secundară apariţiei membrului cu 5 degete, adică membrul cu un deget este apomorf faţă de cel cu 5 degete. Din acest punct de vedere membrul cu 5 degete din punct de vedere al acestui nivel de cercetare este o sinpleziomorfie şi nu trebuie luat în consideraţie la construirea clasificării.

Este interesantă relaţia dintre principiul sinapomorfiei şi noţiunile de omologie şi analogie. Noţiunea de omologie exprimă asemănarea determinată de originea comună. Se considără că prezenţa organelor omoloage este o dovadă a apartenenţei organismelor la unul şi acelaşi taxon. Din exemplul relatat anterior reiese, că omoloage, adică determinate de originea comună pot fi atât caracterele sinapomorfe, cât şi cele sinpleziomorfe. Motiv pentru întrunirea organismelor într-un taxon, însă, sunt doar sinapomorfiile. De aici reiese, că omologia în sine, nu poate servi drept bază pentru clasificare.

Analogia exprimă asemănarea, care nu este determinată de originea comună. În cladistică acest fenomen este numit homoplazie şi se determină ca stare de apariţie multiplă a caracterului în cursul evoluţiei.

Principiul monofilieiDin punct de vedere al teoriei evoluţioniste taxonul este considerat natural în cazul, în care el

constă din organisme cu originea comună. Deoarece viaţa pe pământ are origine unică, reiese, că

orice grut taxonomic este unul natural. Pentru a evita asemenea inconvenienţe Henning a fosrmulat principiul monofiliei stricte:Taxonul A este mai apropiat din punct de vedere al gradului de rudenie de taxonul B, comparativ cu taxonul C, dacă A şi B au un strămoş comun, care nu este strămoş şi pentru C.

În baza acestui principiu Henning deoasebea trei tipuri de grupuri taxonomice: strict monofiletice (holofiletice); parafiletice şi polifiletice. În opinia lui Henning taxonul strict monofiletic include cel mai recent stămoş şi toţi descendenţii lui. Grupul monofiletic este determinat în baza sinapomorfiilor. Grupul parafiletic include strămoşul comun şi unii din descendenţii lui. Un asemenea grup este determinat prin pleziomorfii. Grupurile polifiletice includ unii dintre descendenţii strămoşului comun , dar nu include strămoşul comun. Aceste grupe se apreciază în baza homoplaziilor. În cladistică sunt recunoscuţi doar taxonii monofiletici.

Drept exemplu de grup parafiletic poate servi clasa Reptilelor, care care nu include păsările, adică nu include toţi descendenţii strămoşului comun.

Alt exemplu de taxon parafiletic ste filumul Chlorophyta (algele verzi), care nu include plantel superioare- descindenţii direcâi ai acestui grup.

Regnul Fungi este unul polifiletic, deoarece constă din organisme, care nu provin de la un strămoş comun.

Exemplele de mai sus sunt inacceptabile din punct de vedere al cladisticii. Din punct de vedere al cladisticii Henning, grupurile monofiletice, parafiletice, polifiletice

sunt determinate de atitudinea faţă de originea comună. Mai târziu alţi teoreticieni ai cladisticii, aşa ca Platnick, 1979 şi Patterson, 1982 au ajuns la concluzia, că din acest punct de vedere teoria cladisticii dă breşă în legătură cu faptul, că se bazează pe ceva, care nu este cunoscut – originea comună. În opinia lor, formarea grupurilor taxonomice trebuie să aibă loc în baza sinapomorfiilor, şi abea după aceasta, clasificaţia obţinută urmează a fi explicată din punct de vedere al filogeniei. Astfel, originea este exclusă din analiză şi devine doar parte componentă a discuţiei tabloului relaţiilor taxonomice (paternului) obţinut. Această abordare a stat la baza aşa numitei cladistici de patern.

Principiul grupurilor înfrăţiteCu toate că deja am operat de mai multe ori cu noţiunile de strămoş şi descendent, cladistica niciodată nu precaută taxonii care sunt supuţi clasificării în calitate de strămoşi ai unui oricare grup, chiar dacă sunt cunoscute forme mai progresive înrudite cu el. În cladistică este recunoscut doar un criteriu de stabilire a grupurilor taxonomice – sinapomorfia, care nu permite de a stabili relaţia strămăş-urmaş.Deaceea din punct de vedere al cladisticii nu este corect de spus, că taxonul B provine de la taxonul A, ci că taxonii A şi B au avut un strămoş comun. Faţă de care taxonul A căpătat careva caractere apomorfe suplimentare, iat taxonul B – nu. Taxonii între care există asemenea relaţii au fost numiţi de către Henning grupuri înfrăţite. El definea grupurile înfrăţite ca grupuri de specii, care provin de la strămoşul grupului monofiletic în rezultatul unui proces de segregare, comun pentru acest grup. Grupurile înfrăţite sunt stabilite în baza sinapomorfiilor:Grupurile înfrăţite – o pereche de taxoni, care au unul sau mai multe caractere unicale.

Principiul parsimonieiUna din particularităţile cladisticii constă în aplicarea principiului economiei sau parsimoniei. Acest principiu, numit deasemenea si „briciul lui Occam” a fost propus încă în sec.XIV de către filozoful englez WW.Occam. Principiul parsimoniei este parte componentă a metodei ştiinţificeşi se utilizează pentru excluderea presupunerilor, care sunt aplicate special pentru explicarea unui caz concret (adică a ipotezelor ad hoc). Asemenea ipoteze servesc pentru a putea ignora observaţiile, care mărturisesc contra unei teorii concrete.Cu alte cuvinte, numărul de presupuneri, pe care urmează să le facă cercetătorul pentru a explica observaţiile, trebuie să fie minim.Ipotezele, care sunt utilizate extra acestui minim sunt ipoteze ad hoc.Aplicarea parsimoniei reiese din formularea iniţială a metodelor filogenetice, dată de Henning, care considera că:Provenirea în rezultatul convergenţei nu trebuie presupusă a priori; adică dacă lipsesc dovezile convergenţei sau paralelismului, urmează a fi înaintată ipoteza despre originea unică a acestui caracter la diferite organisme.

Trebuie de menţionat, că cea mai economă ipoteză nu neapărat este cea mai aproape de realitate. Este vorba doar de o asemenea presupunere, la care trebuie să ne oprim, pentru a nu fi puşi în condiţiile, în care vom atrage ipoteze ad hoc.

În corespundere cu principiul parsimoniei evoluţia este recunoscută de către cladişti ca ireversibilă, unidirecţionată şi divirgentă. Cazurile de evoluţie în reţea, simbiogeneza, radiaţia adaptivă nu sunt analizate în acest context. Convergenţa (homeoplazia) este considerată drept eveniment puţin probabil.Principiul evoluţiei econome amintesc asemenea presupuneri ca „gazul ideal” sau „corp absolut negru”: sunt irealizabile în realitate, dar foarte utile în cercetare.

Etapele analizei cladisticeAnaliza cladistică bazată pe principiile expuse mai sus include următoarele etape:

1. La prima etapă se efectuiază codificarea caracterelor , care se includ în matrice. O particularitate a metodei cladistice constă în aceea, că pe primul loc sunt plasate caracterele calitative. Indicatorii metrici în cadrul analizei cladistice sunt plasaţi în grupuri , ca de exemplu: „mic”, „mediu”, „mare”.Codificarea adecvată a caracterelor este o problemă separată foarte serioasă. De faptul, cât de exact codificarea reflectă stările existente ale caracterului, depinde cât de reale vor fi rezultatele analizei. Vom examina câteva tipuri de caractere şi metode de codificare.Presupunem că trebuie să descriem culoareacorolei la două specii de plante. Fie că la specia A corola este de culoare roşie, iar la specia B – albă. Această informaţie poate fi codificată în formă binară: starea caracterului la specia A este codificată cu 0, iar la specia B – cu 1. Caracterele care au doar două stări posibile se numesc caractere binare. La codarea binară nu are importanţă cum se notează fiecare dintre stările posibile ale caracterului – cu 0 sau cu 1. Valorile pot fi schimbate, fără a schimba sensul codificării.Tabel. Codificarea binară a caracterului „culoarea corolei” la doi taxonitaxonul Caracterul CodulA Corolă roşie 0B Corolă albă 1

Atunci, când caracterul are multiple forme (nu numai două) se aplică un alt tip de codificare – codificarea aditivă. Tabel. Codificarea aditivă a caracterului „culoarea corolei” la trei taxonitaxonul Caracterul CodulA Corolă roşie 0B Corolă albastră 1C Corola albastră 2

La codarea unui caractre este necesar de a stabili dacă acesta este ordonat sau neordonat. În cazul caracterelor ordonate, caracterul formează succesiuni de tipul alb-gri-negru sau sferic-elipsoidal-cilindric. În cazul de mai sus nu există un şir ordonat.Caracterele ordonate se codează în mod deosebit. De exemplu caracterul, şirul ordonat al stărilor căruia este 0-1-2, unde 1 este starea intermediară a caracterului, poate fi codificat astfel: 00-01-11. O asemenea codificare poartă numele de codificare aditivă.Tabel. Codificarea aditivă a caracterului ordonattaxonul Caracterul CodulA Frunză rotungită 00B Frunză ovoidă 01C Frunză în formă de inimă 11

Transformarea în şirul caracterului ordonat poate fi liniară (ca în exemplele de mai sus) sau ramificată. Ultimile deasemenea pot fi codificate în sistema aditivă binară

CA B

DTabelul. Codarea aditivă binară a transformării între 4 stări ale caracteruluiTaxonii CodulA 000B 001C 011d 101(de exemplu: A- 000- sistemul circulator la peştii osoşi cu 4 perechi de artere branhiale; B-001- sistem circulator la reptile cu 2 arcuri ale aortei; C-011 –sistemul circulator la mamifere cu reducerea arcului drept al aortei; D-101 – sistemul circulator la păsări cu reducerea arcului stâng al aortei)

În cazul caracterelor binare transformarea caracterului poate avea loc în ambele direcţii. În cazul în care direcţia transformării este srabilită, atunci caracterul este polarizat. Polarizarea nu trebuie să fie confundată cu şirul caracterelor orientate. De exemplu şirul 0-1-2 poate fi polarizat în trei moduri diferite De la 0 la 1 la 2De la 2 la 1 la0De la 1 la 2 şi de la 1 la 0.În cazul caracterelor polarizate în analiză se ia doar varianta care reflectă polaritatea

2. După ce a fost alcătuită matricea, programa începe selectarea căilor potenţial posibile de transformarea evoluţionistă a fenotipului ori genotipului iniţial în toate celelalte pe calea modificării pe rând a stărilor tuturor caracterelor. În rezultat se construiesc cladograme (sau arbori), care constau din linii, numite ramuri. Locurile de intersectare a ramurilor se numesc noduri. Vârfurile ramurilor corespund taxonilor, care au fost incluşi în analiză.Arborii pot fi neînrădăcinaţi (numiţi reţele ori dendrite) şi înrădăcinaţi (anume aceştea sunt cladograme). Arborii neînrădăcinaţi reflectă natura legăturilor dintre taxoni, dar nu pot da informaţie despre transformarea caracterelor.

Fig. Arbore neînrădăcinat (dendrită) – a); arbore înrădăcinat (cladogramă) –b)

Pentru a transforma dendrita în arbore înrădăcinat se efectuiază înrădăcinarea (rooting) ei. Înrădăcinarea poate fi directă şi indirectă. Înrădăcinarea indirectă se face prin întroducerea în analiză a unui grup expert (outgroup) – un taxon, care din start este separat de totalitatea taxonilor analizaţi (ingroup). Este de dorit, ca grupa externă să nu posede apomorfii caracteristice pentru ingrup. În rezultatul înrădăcinării transformarea a cel puţin un caracter capătă polaritate. Uneori se polarizează mai mulţi factori, ori chiar toţi. Aşa dar, polaritatea caracterului se citeşte numai depe arbori înrădăcinaţi.

Metoda directă de determinare a polarităţii necesită utilizarea datelor ontogenetice: în cazul transformării ontogenetice a caracterului de la starea mai răspâdită la cea mai puţin răspândită, starea mai răspândită se apreciază ca pleziomorfă, iar cea mai puţin răspândită – apomorfă.

De exemplu fantele branhiale se întâlnesc la embrionii tuturor vertebratelor şi la indivizii maturi ai peştilor, dar nu la indivizii maturi ai tetrapozilor. De aici reiese, că starea

mai răspândită (prezenţa fantelor) prezintă o pleziomorfie, iar transformarea fantelor în alte structuri prezintă apomorfii.

3. Dintre multitudinea de cladograme este necesar de a le selecta pe cele mai econome (care

corespund principiului parsimoniei). Deoarece numărul de cladograme generate este foarte mare, pentru efectuarea selecţiei se utilizează câteva metode.Căutarea exhaustivă (se precaută toate cladogramele posibile). Se aplică doar pentru grupuri mici şi un număr mic de caractere.Metoda ramificaţiei şi limitării (branch-and-bound method, BAB). Se construeşte cladograma etalon. Lungimea ei este luată în lucru ca maximal admisibilă. Cladogramele cu lungime mai mare se exclud.Căutarea euristică. Cercetătorul fixează un număr minimal de cladograme, care urmează a fi generate. De obicei nu mai puţin de 10000, după care se lucrează doar cu aceşti arbori.Căutarea euristică se efectuiază în două etape: 1.adăugarea pas cu pas, care determină consecutivitatea adăugării taxonilor la arborele ce se construieşte, 2.schimbul de ramuri - diferite variante de schimb cu locul a ramuriilor arborelui obţinut la prima etapă.Adăugarea pas cu pas poate fi efectuată prin mai multe metode:

Se aleg 3 taxoni si se alcătuieşte reţeaua de bază. Taxonii rămaşi se adaugă pas cu pas la fiecare din ramurele arborelui in construcţie si se calculează distanţa până la el. Se selectează varianta de adăugare cu cea mai mică lungime.

Algoritmul simplu (Farris). Se ia un taxon, de obicei primul din listă, după care se calculează gradul de diferenţă dintre el si toţi ceilalţi taxoni sub formă de sumă a deosebirilor absolute între caracterele lor. Acest indice se numeşte indice de avansare. Se construeţte se construeţte structura de bază ce constă din taxonul de bază şi alţi 2 cei mai apropiaţi (cu cel mai mic indice de avansare), apoi se adaugă ceilalţi taxoni în ordinea creşterii indicelui.

Procedura „cea mai amănunţită” elaborată de Swofford presupune aplicarea unei proceduri dinamice, care constă în aceea, că succesiunea adăugării taxonilor se revede pe parcursul construirii arborelui.

În rezultatul adăugării pas cu pas se obţin ameliorări esenţiale de ordin local. Dentru a îmbunătăţi esenţial calitatea cladogramei se aplică schibrul între elemente perfectate ale arborelui obţinut – adică cea de-a doua etapă – schimbul de ramuri.Schimbul de ramuri poate fi realizată prin mai multe metode:

Schimbul între vecinii apropiaţi (nearest neighbour interchange) sau schimb local de ramuri;

Fig. Exemplu de schimb de ramuri prin metoda schimbului între vecinii apropiaţi (schimbul local). Ramura luată în cercetare (desenul de sus)are la ambele extremităţi câte o pereche de vecini (A+B; C; D; E+F). Unul din ei –C este schimbat cu fiecare dintre vecinii de pe partea opusă, ceea ce generează noi cladograme,

Retezare şi altoire (subtree pruning and regrafting); de la cladograma obţinută se separă o subcladogramă înrădăcinată. Aceasta apoi se alipeşte la fiecare dintre ramurile claogramei rămase. Se apreciază lungimea topologiei obţinute şi se selectează cele cu lungime minimă.

Despicare şi reunire (tree bisection and reconnection). Subladograma secţionată se transformă în reţea, iar după asta din nou se înrădăcinează pe fiecare dintre celelalte ramuri rămase.

A B

Fig. Exemple de Retezare şi altoire –A şi Despicare şi reunire –B.

4. Din multitudinea de cladograme se selectează cele mai laconice, care includ cel mai mic număr de paşi evolutivi, adică modificări ale stării caracterului. La această etapă are loc cântărirea ipotezelor filogenetice.La această etapă o importanţă majoră o are tipul de interacţiuni dintre caracterele taxonilor. Acestea pot fi:

Cogruente – se comportă la fel; Compatibile – nu sunt contradictorii (determină grupuri diferite din aceiaşi

categorie) Contradictorii

Matrice şi cladogramă cu caractere congruente

Matrice şi cladogramă cu caractere contradictorii.

Atunci când se evidenâiază elemente contradictorii este necesar de a efectua optimizarea. Există mai multe metode care permit de a efectua optimizarea:

Optimizarea aditivă (analiza caracterelor nepolarizate ordonate) Optimizare neaditivă (analiza caracterelor neordonate, nepolarizate) Optimizarea Dollo (caractere ordonate polarizate sau nu) Optimizarea Camin-Sokal (cactere polarizate ordonate)

5. Construirea cladogramei de consens din câteva cladograme obţinute în rezultatul optimizării.Există 3 procedee de bază de construire a cladogramei de consens:

Consensul strict – în arborele de consens se includ doar acele sectoare, care sunt prezente în toate cladogramele elaborate, iar taxonii, legăturile dintre care sunt contradictorii se exprimă prin linii paralele.

Consensul majorităţii – în arborele final se includ segmentele, care sunt cuprinse în mai mult de 50% din cladogramele generate la etapa precedentă.

Cladograme obţinute în baza a trei cele mai scurte cladograme în conformitate cu principiul consensului strict şi consensului majorităţii.

Consensul după Adams. Componentele nestabile sunt transferate în nodul cel mai apropiat care le uneşte.

6. Cladograma de consens se apreciază din punct de vedere al stabilităţii. Pentru aceasta se aplică 2 metode: bootstrap şi jackknife.Metoda Bootstrap se bazează pe alcătuirea pseudomatricelor de aceleaşi dimensiuni Metoda Jackknife constă în expluderea unor date din matrice.Cladograma de consens este verificată din punct de vedere al gradului de corspundere. În cladistică prin acest termen se

exprimă gradul de corespundere a întregului complex de date examinate cladogramei obţinute.

Fig. Etapele metodei Bootstrap: a – este construită cea mai economă cladogramă pentru un ansamblu iniţial de factori. б- se generează o pseudomatrice de aceiaşi dimensiune, din care pot lipsi anumite date, iar altele se pot repeta. в – se construiesc cladograme în baza pseudomatricelor şi la final se obţine unarbore de consens după principiul consensului majorităţii. Procentul cladogramelor parsimonice , în care se întâlneşte această grupă se indică la baza ei si reflectă credibilitatea lor.

7. Aprecierea corespunderii cladogramei complexului de caractere analizate. În calitate demăsură a corespunderii pentru datele discrete este aplicat indicele de consistenţă (ci – consistency index), care se calculează după formula:

Unde s – este numărul real de modificări ale stării caracterului, iar m- este numărul minim de modificări ale stării caracterului, Ci variază între 1 pentru corespunderea absolută şi 0 pentru lipsa corespunderii. Indicele consistenţei poate fi aplicat atât pentru un caracter, cât şi pentru ansamblul de caractere în cladogramă. În ultimul caz vorbim despre Indicele Total de Consistenţă

În calitate de criteriu de corespundere a cladogramei obținute polarizării tuturor caracterelor de la starea pleziomorfă la cea apomorfă este utilizat indicele de retenție (ri - retention index). Pentru un caracter particular acest indice se calculează conform formulei:

In care g- numărul maximal de pași posibili pentru caracterul dat, s – numărul real de pași, m/ numărul minimal de pași posibili. Indicele total de retenție , care caracterizează toate caracterele cladogramei se calculează după formula

Dacă ri=1 aceasta arată că polaritatea caracterelor este reflectată totalmente pe cladogramă, iar valorile mai mici de unitate indică asupra posibilității de dispariție secundară a caracterelor apomorfe..

8. După ce a fost efectuată evaluarea cladogramei de consens după indicii de mai sus, nodurilor acestei cladograme le este atribuit un anumit rang taxonomic. În așa mod are loc formarea unei clasificări ierarhice a organismelor cercetate.

Avantajele metodei cladistice:A întrodus abordări noi în sistematică, determinând de fapt aspectul contemporan al,acestei științe. A introdus termenii de cladogramă, apomorfie, iar interdicția pentru utilizarea taxonilor poli- și parafiletici pentru construirea cladogramelor și-a găsit aplicare și dincolo de limitele metodei cladistice, devenind un principiu general pentru taxonomia contemporană. Anume cladistica a creat baza metodologică pentru analiza genotipică, fiind până nu demult unica metodă de analiză filogenetică a secvențelor nucleotidice.

Dezavantajele metodei cladistice:Aprecierea ipotezelor în conformitate cu principiul parsimoniei nu este o garanție contra erorilor, deoarece excluderea generală a unei ipoteze în baza faptului că aceasta este puțin posibilă nu este chiar corect. Metodele de construire a cladogramei de consens nu face față atunci când poziția taxonilor este echivalentă. Refuzul de a recunoaște taxonii contemporani în calitate de taxoni strămoși nu este rațională întotdeauna deoarece sunt cazuri, când între doi taxini contemporani sunt stabilite relații sigure de tipul strămoș - descendent. Analiza cladistică în baza fenotipului nu este în stare de a înlătura toate problemele legate de fenomenul de convergență. În cadrul taxonilor, în care formarea convergentă repetată a caracterelor, este o regulă, ca de exemplu, la protiste, cladistica simplifică neargumentat tabloul modificărilor evolutive. Fenomenele de evoluție în rețea, radiației adaptive multiple și în general procesul de microevoluție în populație nu pot fi descrise în mod adecvat utilizând posibilitățile cladisticii.

METODE STATISTICE ÎN ANALIZA FILOGENETICĂ

Unul din postulatele principale ale cladisticii, principiul parsimoniei, este în acelaşi timp şi unul din cele mai controversate postulate.

Metoda parsimoniei iniţial elaborată pentru caracterele morfologice, prezintă mai multe versiuni (Wiley, 1981; Felsenstein, 1982; Wiley et al., 1991; Maddison şi Maddison, 1992; Swofford şi Begle 1993). Eck şi Dayhoff în 1996 par a fi fost primii care au utilizat această metodă pentru realizarea arborilor, pornind de la secvenţe de aminoacizi. Fitch (1971) şi Hartigan (1973) au elaborat un algoritm mai riguros al metodei MP pentru secvenţe de nucleotide.

În cadrul acestei metode se iau în considerare 4 sau mai multe secvenţe aliniate de nucleotide sau aminoacizi (m≥4), iar nucleotidele (aminoacizii) taxonilor ancestrali sunt luate în considerare separat pentru fiecare site şi o anumită topologie, presupunând că modificările produse de mutaţii apar la nivelul oricăreia dintre cele patru nucleotide (sau 20 de aminoacizi). Se calculează apoi, cel mai mic număr de substituţii nucleotidice (sau de aminoacizi) care explică întregul proces evolutiv pentru o anumită topologie. Acest calcul este realizat pentru toate topologiile presupuse a fi corecte şi topologia care implică cel mai mic număr de substituţii este aleasă ca reprezentând arborele corect. Cu cât este implicat mai puţin procesul evolutiv de creare a unei inferenţe filogenetice, cu atât putem obţine concluzii mai exacte.

Dacă nu există substituţii în paralel sau în sens invers (nu există omologie) la fiecare site nucleotidic şi numărul de nucleotide examinate (n) este foarte mare, ar trebui ca utilizând MP să se obţină arborele real. Cu toate acestea, în practică, secvenţele de nucleotide suferă adesea substituţii în paralel sau în sens invers, şi n este relativ mic. În acest caz, MP tinde să confere o topologie incorectă. În plus, Felsenstein (1981) a arătat că atunci când rata substituţiei nucleotidelor variază proporţional cu direcţia evolutivă, MP poate genera topologii incorecte chiar şi atunci când se examinează un număr foarte mare de nucleotide. În anumite condiţii, aceasta se poate întâmpla chiar şi atunci când rata de substituţie este constantă pentru toate direcţiile evolutive (Hendy şi Penny, 1989; Takezaki şi Nei, 1996). În acest caz, ramurile lungi (sau cele scurte) ale arborelui real, tind să se alăture, sau se atrag în cadrul arborelui final. Astfel, acest fenomen, este adesea numit „long branch attraction” (engl. atracţia dintre ramurile lungi) (Hendy şi Penny, 1989) sau „Short branch attraction” (engl. atracţia dintre braţele scurte) (Nei, 1996).

În analiza parsimoniei este de asemenea dificilă abordarea inferenţei filogenetice într-un cadru statistic, deoarece nu există o cale de calcul a mediei şi varianţei numărului minim de substituţii obţinute pe criteriul parsimoniei.

Astfel, utilizarea metodei parsimoniei este realist nu din cauza, că ar da o impresie reală despre mersul evoluţiei, ci pentru că permite de a evita presupunerile, care încă nu au confirmare. Parsimonia este un procedeu de evaluare a puterii de explicare a ipotezelor, şi nu un procedeu de apreciere realităţii ei.

Această situaţie impune necesitatea de a combina arsenalul analitic al cladisticii cu mijloacele statisticii matematice. Astfel au apărut metodele statistice ale analizei filogenetice, care în prezent sunt întruchipate în două variaţii : verosimilitudine maximă şi analiza Bayes.

Metoda verosimilitudinii maxime (maximum likelihood)Analizele filogenetice tind să deducă istoria evolutivă (sau un set de istorii probabile) care

corespunde cel mai bine setului de date observat (în cazul de fată este vorba de secvenţe nucleotidice sau de aminoacizi dar poate fi vorba şi de caractere morfologice, frecvenţe ale genelor, situsuri de

restricţie etc.). Necunoscutele problemei sunt ordinea de ramificare şi lungimea ramurilor a filogeniei. Pentru a aplica metodele ML este nevoie de un model concret de substituţie ce descrie transformarea unei secvenţe în alta.

Metodele ML de reconstrucţie filogenetică evaluează ipoteza despre istoria evolutivă în termeni probabilistici (Care este probabilitatea că o anumită istorie evolutivă - topologie şi un anumit model de substituţie vor da naştere datelor observate). O istorie evolutivă ce are o probabilitate mai mare de a da naştere datelor observate are prioritate faţă de una cu o probabilitate mai mică. Această metodă a fost utilizată pentru prima dată în reconstrucţiile filogenetice de către Cavalli-Sforza şi Edwards în 1967 însă aceşti autori au considerat calculele necesare prea complicate pentru calculatoarele de la acea vreme şi au dezvoltat metode aproximative ca de exemplu ME (Huelsenbeck & Crandall, 1997). Felsenstein a utilizat pentru prima dată această metodă în 1981 pentru analiza filogenetică a secvenţelor de nucleotide, după care metoda a început să fie din ce în ce mai utilizată. Printre avantajele acestei metode se numără varianţa mică şi posibilitatea utilizării unui număr minim de parametri. Chiar pentru un număr mic de nucleotide acest tip de metode depăşesc de multe ori metodele bazate pe distanţe şi cele MP.

Principiul de bază al metodei implică calcularea verosimilitudinii unei filogenii. Deoarece majoritatea modelelor de substituţie folosite sunt reversibile în timp, verosimilitudinea unei filogenii este independentă de localizarea rădăcinii. Presupunând că fiecare situs evoluează independent putem calcula verosimilitudinea fiecărui situs separat şi să combinăm aceste valori pentru obţinerea unei valori finale.

Pentru a calcula verosimilitudinea unui situs j trebuie să luăm în considerare toate scenariile posibile prin care starea finală a situsului ar fi putut evolua. Bineînţeles că unele scenarii sunt mult mai plauzibile decât altele, însă fiecare are o anumită şansă să se fi produs. Spre exemplu dacă considerăm o filogenie în rădăcină am fi putut avea teoretic oricare din cele 4 nucleotide (A, G, C, T), pentru oricare alt nod intern este de asemeni posibilă existenţa oricărui nucleotid. Deci avem un total de 4 X 4 = 16 posibilităţi. Cum oricare dintre aceste 16 scenarii ar fi putut duce la setul final de date observate, probabilităţile tuturor evenimentelor trebuiesc calculate şi însumate pentru a obţine probabilitatea unui situs j (această probabilitate depinde după cum am mai menţionat de topologie şi de modelul de substituţie nucleotidică). Cum am presupus că fiecare situs evoluează independent de celelalte, probabilitatea unui scenariu evolutiv este egală cu produsul probabilităţilor tuturor situsurilor 1, 2, 3, … j … n. Pentru că probabilitatea unei singure observaţii este foarte mică în locul lor se utilizează logaritmii acestora, deci probabilităţile sunt acumulate ca sumă a logaritmilor verosimilitudinilor fiecărui situs luat în parte.

Din cauza volumului foarte mare de calcule ce trebuiesc efectuate dacă numărul de taxoni este mai mare ca 10 şi secvenţele utilizate sunt mari au fost dezvoltate o serie de algoritmi de căutare (ca şi în cazul metodelor MP).Cum modalitatea reală de substituţie a nucleotidelor este foarte complicată, s-ar putea crede că un model matematic cu mulţi parametri este mai bun decât un model cu mai puţini parametri. Totuşi chiar dacă un model cu mai mulţi parametric corespunde datelor mai exact decât unul mai simplu, numărul mare de parametri îl face mai sensibil la erori. Deci este mai utilă utilizarea unui model mai simplu atâta timp cât acesta aproximează modul de substituţie al nucleotidelor suficient de bine.

În cazul metodelor ML corespondenţa dintre model şi date poate fi examinată folosind testul LR (Likelihood Ratio Test) sau criteriul informaţiei al lui Akaike (AIC – Akaike Information Criterion). Când avem două modele 1 şi 2 şi modelul 1 este caz particular al modelului 2, iar topologia corectă este cunoscută putem calcula testul LR după formula

LR=2(lnL2-lnL1)unde lnL1 şi lnL2 sunt valorile ML pentru modelele 1 şi 2. în acest mod putem testa dacă modelul 2 este semnificativ mai bun decât modelul 1.

ASPECTE ALE EVOLUŢIEI MOLECULAREEVOLUŢIA SECVENŢELOR NUCLEOTIDICE ŞI PROTEICE

De la Charles Darwin încoace reconstruirea istoriei evolutive a vieţii şi redarea acesteia sub forma unui arbore filogenetic a fost un vis pentru mulţi biologi , Haeckel (1866) fiind primul care a încercat sa realizeze acest lucru.

Modul ideal pentru realizarea acestei sarcini imense este utilizarea registrului fosil, dar întrucât acesta este fragmentar mulţi cercetători au încercat să folosească morfologia şi fiziologia comparată. Folosind aceste două metode s-a reuşit deducerea multor aspecte importante din istoria vieţii. Însă schimbările morfologice şi fiziologice fiind extrem de complexe, iar aprecierea importanţei evolutive a unui caracter fiind de cele mai multe ori subiective, arborii filogenetici construiţi au fost întotdeauna subiect pentru controverse.

În ultimul timp datorită realizărilor biologiei moleculare situaţia s-a schimbat drastic. Dacă în anul 1982 în GenBank erau doar 606 secvenţe (680.338 pb) această bază de date fiind la începuturile sale, iar în 1997 se ajunsese după 15 ani abia la 1.765.847 de secvenţe (1,160,300,687pb) astăzi baza de date numără 46 947 388 de secvenţe cu un total de aproximativ 51 674 486 881 pb de la peste 165 000 de specii (Benson, 2005). Această explozie se datorează în primul rând perfecţionării metodelor de secvenţiere şi a dus la apariţia unui mare număr de studii de evoluţie moleculară.

Planul structurii tuturor organismelor fiind înscris în ADN (sau ARN în cazul unor virusuri) apare posibilitatea de a studia relaţiile evolutive dintre organisme comparându-le ADN-ul. Acest mod de a privi lucrurile are câteva avantaje faţă de cele clasice ce utilizează caractere morfologice şi fiziologice:(1) Macromolecula de ADN este formată din patru tipuri de nucleotide: adenina (A), timina (T), citozina (C) şi guanina (G) în întreaga lume vie putând fi folosit astfel pentru a compara orice grupe de organisme, plante, bacterii, arhebacterii, animale, fungi. În metodele tradiţionale aceasta este pur şi simplu imposibil.(2) Întrucât modificările evolutive ale ADN urmează un model mai mult sau mai puţin regulat este posibilă utilizarea modelelor matematice pentru a formula modificările şi compara ADN-ul de la organisme foarte îndepărtate din punct de vedere filogenetic. Schimbările morfologice sau fiziologice urmează modele extrem de complexe chiar dacă analizăm perioade scurte de timp nefiind clar dacă diferitele aproximări necesare pentru realizarea unor filogenii sunt reale sau nu.

(3) Genomurile diferitelor organisme constau din lungi secvenţe de nucleotide (de exemplu genomul uman are 9x1012 pb) conţinând astfel cantităţi mult mai mari de caractere cu importanţă filogenetică spre deosebire de alte tipuri de date.

Taxonomia este una dintre cele mai controversate ramuri din biologie, definiţiile speciilor, genurilor familiilor etc. fiind adesea subiective, dezacordul dintre specialişti privitor la statutul unui anumit taxon fiind ceva obişnuit. Filogeneza este mai puţin controversată decât taxonomia în general, ea dorind în primul rând să rezolve problema relaţiilor dintre organisme, iar statutul sistematic al organismelor are o importanţă secundară.

Cele două domenii sunt însă strict corelate, clasificarea organismelor trebuind să reflecte istoria lor evolutivă (Ax, 1987). În acest sens filogenetica moleculară joacă un rol important în dezvoltarea bazelor ştiinţifice ale taxonomiei, însă nu trebuie privită ca atotputernică existând cazuri când unele probleme din nomenclatură nu pot fi rezolvate pe această cale.

Un exemplu interesant de utilizarea a datelor moleculare în stabilirea relaţiilor filogenetice dintre diverşi taxoni îl constituie cetaceele a căror legături cu celelalte ordine de mamifere au fost mult discutate. Prin analiza evoluţiei genei γ fibrinogenului cât şi prin datele referitoare la inserţia în genom a SINE (short interspersed repetitive elements) ce pot fi privite ca caractere sinapomorfe (Nei & Kumar, 2000) s-a ajuns la concluzia că printre mamiferele actuale, cele mai înrudite cu cetaceele sunt hipopotamii. Pe lângă faptul că la acealeaşi rezultate s-a ajuns prin două metode absolut diferite, ipoteza este susţinută şi de datele paleontologice care indică înrudirea cetaceelor cu mezonichidele, un grup de ungulate carnivore din oligocen (Benton,1997).

METODE DE DEDUCERE A DIRECŢIILOR DE FILIAŢIE PORNIND DE LA DATE MOLECULARE

Deducerea informaţiilor filogenetice din datele moleculare necesită alegerea metodei potrivite din multele disponibile. Construirea unei ipoteze filogenetice este un procedeu de estimare, adică se face o estimare optimă a unei filogenii bazându-ne pe informaţia incompletă conţinută în datele disponibile. În contextul sistematicii moleculare de obicei nu avem informaţii directe despre trecut – avem acces doar la organisme şi molecule actuale. Deoarece putem găsi un scenariu evolutiv prin care orice filogenie poate fi explicată e nevoie de un criteriu pentru a selecta una sau câteva filogenii preferate dintr-un set de filogenii posibile.

Metodele de deducere filogenetică încearcă să realizeze acest scop în unul din două moduri: (1) definind o secvenţă specifică de paşi (un algoritm) ce duce la obţinerea unui arbore filogenetic; (2) definind un criteriu pentru a compara filogeniile alternative între ele şi decizând care e

mai bună.Metodele pur algoritmice combină deducerea arborelui filogenetic şi definiţia arborelui

preferat într-o singură supoziţie. Aceste metode includ toate formele de analiză a grupelor perechi (cum ar fi UPMGA) şi alte metode bazate pe distanţe cum ar fi NJ (neighbor joining). Ele sunt de obicei mai rapide deoarece merg direct spre arborele final fără a necesita evaluarea unui număr mare de soluţii.

A doua grupă de metode presupune doi paşi logici. Primul este definirea unui criteriu de optimalitate (descris formal de printr-o funcţie obiectivă) cu ajutorul căruia fiecărui arborie i se

acordă un punctaj folosit pentru compararea arborilor unul cu celălalt. Al doilea pas este utilizarea unui algoritm specific pentru calcularea valorii funcţiei obiective şi găsirea arborelui cu cel mai bun punctaj.

Astfel supoziţiile evolutive făcute în primul pas sunt decuplate de folosirea calculatorului în pasul al doilea. Preţul acestei clarităţi logice este viteza lentă de lucru a calculatorului, iar pentru seturi date ce conţin mai mult de 20 de taxoni arborele optim nu poate fi întotdeauna găsit din cauza numărului mare de posibile soluţii.

Folosirea algoritmilor este radical diferită între cele două metode. În cazul metodelor pur algoritmice, algoritmul este cel care defineşte criteriul de selecţie al arborilor şi are deci o valoare crucială.

În metodele bazate pe un criteriu algoritmul este doar unealtă pentru evaluarea valorii funcţiei obiective şi căutarea arborilor ce optimizează această valoare. Deoarece metodele bazate pe criterii acordă fiecărui arbore analizat un punctaj, filogeniile pot fi aranjate în ordinea preferinţelor. Aceasta reprezintă un avantaj enorm în faţa metodelor pur algoritmice. Dacă un set de date poate fi explicat egal de bine de câteva mii de arbori filogenetici, folosind metode bazate pe criterii nu vom fi duşi în eroare că un anumit arbore explică datele foarte bine. O metodă algoritmică dă un singur arbore, neputând şti câtă confidenţă putem avea în acesta. Unii autori (Hedges et al., 1992) au sugerat utilizarea metodelor statistice cum ar fi bootstrapping-ul pentru determinarea gradului de confidenţă pe care îl putem avea într-un arbore găsit prin metode pur algoritmice.

EVOLUŢIA SECVENŢELOR DE AMINOACIZIÎnainte de inventarea metodelor rapide de secvenţiere în 1977 (Maxam & Gilbert, 1977;

Sanger et al., 1977) majoritatea studiilor de evoluţie moleculară se bazau pe secvenţe proteice. Astăzi secvenţierea ADN-ului este mult mai simplă şi rapidă decât secvenţierea proteinelor şi majoritatea secvenţelor proteice sunt obţinute prin transcriere folosind codul genetic. Totuşi secvenţele proteice şi-au păstrat utilitatea pentru studiile filogenetice : ele sunt mult mai conservate, decât secvenţele de ADN şi pot oferi informaţii utile în cazul comparării grupelor îndepărtate din punct de vedere filogenetic. În plus, modelele matematice ale schimbării evolutive a aminoacizilor sunt mult mai simple decât cele pentru secvenţe de acizi nucleici, motiv pentru care facem mai întâi o prezentare a evoluţiei secvenţelor proteice şi doar apoi a celor nucleotidice.

Studiul schimbărilor evolutive al secvenţelor polipeptidice începe prin compararea a două sau mai multe secvenţe. Cel mai simplu indice este numărul de aminoacizi diferiţi (nd). Daca secvenţele aliniate conţin inserţii sau deleţii acestea trebuiesc eliminate înainte de calcularea nd. Un alt indice simplu este distanţa p ce reprezintă proporţia de aminoacizi prin care două secvenţe de aminoacizi diferă. Se calculează împărţind numărul de aminoacizi diferiţi la numărul total de situsuri comparate.

p=nd/n

Acest indice nu face nici o corecţie pentru substituţii multiple în cadrul aceluiaşi situs sau pentru diferenţele în ratele de evoluţie între situsuri.

Următorul indice este distanţa cu corecţie Poisson (PC) deoarece în realitate în cadrul aceluiaşi situs pot avea loc substituţii multiple ceea ce duce la o relaţie neliniară între p şi timpul t. Odată cu trecerea timpului discrepanţa dintre nd şi numărul real de substituţii creşte.

Dacă r este rata de substituţie per an şi per situs (pentru simplitate se presupune că e acelaşi pentru toate situsurile) numărul mediu de substituţii per situs într-o perioada de timp t este rt, iar probabilitatea a k substituţii (k = 1, 2, 3, …) este dată de distribuţia Poisson :

PC(k;t) = e-rt(rt)k/k!

Pentru calcularea ratei de substituţie a aminoacizilor folosim formula

r= d/2t, unde d – numărul de substituţii per situs.

Pentru a putea aplica formula trebuie să cunoaştem momentul începerii divergenţei dintre cele două secvenţe.

Daca cunoaştem rata de substituţie a aminoacizilor putem folosi formula de mai sus pentru a estima timpul evolutivt= d / (2r).

În modul de calculare a distanţei descris mai sus se presupune că rata de substituţie aminoacizilor este identică pentru toate situsurile. Această aproximare de cele mai multe ori nu este valabilă, rata substituţiei fiind mai ridicată pentru situsurile mai puţin importante din punct de vedere funcţional, iar aminoacizii din centrul activ al unei proteine pot fi conservaţi pentru perioade de timp foarte mari (Kimura, 1983). Uzzel & Corbin (1971) au arătat că de fapt distribuţia numărului de substituţii per situs k are o varianţă mai mare decât cea a distribuţiei Poisson şi urmăreşte de fapt o distribuţie negativ binomială, iar distribuţia lui r per situs urmăreşte o distribuţie gamma.

Forma distribuţiei gamma -f(r) este dată de a care se mai numeşte şi parametru de formă sau parametru gamma. Distribuţia gamma este foarte flexibilă şi ia diverse forme în dependenţă de a. Pentru a =∞, r este acelaşi pentru toate situsurile, pentru a=1, r urmează o distribuţie exponenţială indicând că rata de substituţie variază mult de la un situs la altul, iar pentru a < 1, r are o distribuţie şi mai concavă indicând că un mare număr de situsuri au r = 0

MUTAŢIILE ŞI RATA DE SUBSTITUŢIE A AMINOACIZILORGenele sau secvenţe ale moleculelor de ADN care funcţionează ca modele structurale pentru

ARNm sunt numite gene structurale. De când secvenţele de aminoacizi din structura unui lanţ polipeptidic se pot determina cu ajutorul secvenţelor nucleotidice din genele structurale, orice schimbare în secvenţa de aminoacizi este cauzată de mutaţiile produse la nivelul ADN. De asemenea, o mutaţie care produce o modificare în structura ADN nu este necesar să se reflecte în modificarea secvenţei aminoacizilor, fapt datorat degenerării codului genetic.

Înaintea inventării metodelor rapide de secvenţiere a ADN în 1977 (Maxam şi Gilbert, 1977; Sanger et al., 1977), cea mai mare parte a studiilor de evoluţie moleculară au avut la bază utilizarea

secvenţelor de aminoacizi. Unele principii importante ale evoluţiei moleculare, cum ar fi: evoluţia prin duplicarea genelor (Ingram 1963; Ohno, 1970) şi ceasul evoluţiei moleculare (Zuckerkandl şi Pauling, 1962; Margoliash, 1963), au fost descoperite prin studiul secvenţelor de aminoacizi. În prezent, secvenţierea ADN este mult mai simplă decât secvenţierea aminoacizilor care este de obicei dedusă din secvenţierea nucleotidelor prin utilizarea codului genetic (Nei şi Kumar, 2000).

Nu este adevărat faptul că orice mutaţie poate fi încorporată într-o secvenţă, deoarece speciile sunt alcătuite din populaţii cu numeroşi indivizi, iar o mutaţie nou apărută într-un individ, poate dispare din populaţie prin şansă sau prin acţiunea selecţiei purificatoare. Numai în cazul în care mutaţia survine la nivelul întregii populaţii, atunci aceasta poate fi inclusă în genomul speciei. Acest proces poartă numele de fixare a mutaţiei în populaţie. Odată fixată o mutaţie în cadrul uneipopulaţii, orice individ aparţinând acelei populaţii va avea aceeaşi mutaţie. Când sunt comparate două secvenţe de aminoacizi provenite de la două specii diferite, sunt urmăriţi iniţial, noii aminoacizi care au fost încorporaţi.

Când apare o mutaţie în cadrul populaţiei, supravieţuirea alelelor depinde în principal de şansă, dacă este sau nu avantajoasă din punct de vedere selectiv şi de mărimea populaţiei.

De exemplu, considerând A1 gena sălbatică şi A2 alela, într-un organism diploid, gena mutantă apare iniţial în stare heterozigotă (A1A2). În urma încrucişării A1A2 x A1A1, dacă nu rezultă descendenţi (generaţia F1) din diferite cauze biologice (de exemplu sterilitatea homozigotului A1A1), gena mutantă va dispare în generaţia următoare. Supravieţuirea genei alele, nu este sigură nici chiar dacă în urma încrucişării A1A2 x A1A1 se produc urmaşi, deoarece descendenţii cu genotipul A1A2 apar cu o probabilitate de 0,5. În plus, există şi o şansă de 0,25 ca descendenţii cu aceste genom să nu apară (Nei şi Kumar, 2000).

Când o mutaţie este neutră sau nu afectează fitness-ul individului purtător, frecvenţa relativă a mutantei poate creşte sau descreşte prin şansă în cadrul populaţiei (Nei şi Kumar, 2000).

Până acum în toate modelele descrise s-a vorbit despre substituţiile aminoacizilor de parcă fiecare substituţie este fixată în secvenţa considerată. De fapt secvenţele de aminoacizi nu sunt independente, fiecare specie constând din populaţii, iar mutaţiile au loc în individ ele putând dispare prin derivă genetică sau prin selecţie stabilizatoare. Doar când mutaţia se răspândeşte în întreaga populaţie putem spune că ea este fixată. Când comparăm două secvenţe de aminoacizi de la două specii observăm doar schimbările ce au fost fixate în genofondul speciei. Când o mutaţie este neutră şi nu afectează fitnesul indivizilor frecvenţa relativă (x) a alelei mutante poate creşte sau descreşte la întâmplare în interiorul populaţiei. La un organism cu generaţii discrete (cum ar fi insectele sau plantele anuale) şi număr N de indivizi adulţi frecvenţa unei alele mutante este

x = 1/(2N) , unde 2N este numărul de locusuri.

Soarta alelei e determinată doar de şansă, x crescând şi descrescând până când alela e pierdută sau fixată. Probabilitatea fixării este de u = 1/(2N) iar probabilitatea pierderii de 1-1/(2N). Daca rata de apariţie a mutaţiei este de v per locus şi per generaţie atunci numărul de mutaţii ce au loc în întreaga populaţie este de 2Nv per locus şi per generaţie. Cum probabilitatea fixării mutaţiei este de 1/(2N) rata de substituţie per locus şi per generaţie (a) este de :a = Nv x1/2N=v

Deci rata de substituţie per locus şi per generaţie este egală cu rata mutaţiei.

Aceasta regulă simplă a fost descoperită în 1968 de către Kimura.

În cazul mutaţiilor avantajoase selective situaţia este alta, fitnesul indivizilor fiind de 1 în cazul genotipului AA, 1+s în cazul genotipului Aa şi 1+2s în cazul genotipului aa (s este numit coeficient de selecţie şi este pozitiv pentru mutaţiile folositoare şi negativ pentru cele dăunătoare). Probabilitatea fixării mutaţiilor avantajoase u ≈ 2s pentru populaţii mari unde Ns ≻ 1, deci rata de fixare a mutaţiilor avantajoase este

a = 2Nv x 2s = 4NsvAcest exemplu este totuşi un pic exagerat deoarece odată ce o proteină are o funcţie stabilită

majoritatea mutaţiilor vor fi dăunătoare sau neutre şi foarte puţine vor amplifica activitatea proteinei. Mai multe studii au arătat că rata mutaţiilor pozitive este mult mai mică ca a celor neutre.

Marea majoritate a mutaţiilor sunt însă dăunătoare, ele fiind rapid eliminate din populaţie, ele necontribuind deci la substituţiile de aminoacizi şi nefiind fixate. Mutaţiile puţin dăunătoare se comportă altfel însă. Ele pot fi totuşi fixate într-o populaţie cu o mică probabilitate în special în populaţii mici. Totuşi o acumulare continuă de mutaţii puţin dăunătoare i-ar putea deteriora structura şi funcţia. Deci ca mutaţiile uşor dăunătoare să fie fixate trebuie să se acumuleze şi mutaţii uşor benefice pentru ca proteina să-şi păstreze funcţia. În acest caz rata medie de acumulare a mutaţiilor poate deveni mai mult sau mai puţin constantă (pe termen lung bineînţeles).

În unele cazuri heterozigoţii (Aa) pentru o nouă mutaţie pot avea un fitnes crescut faţă de oricare dintre homozigoţi (AA sau aa) acest fenomen fiind cunoscut sub denumirea de selecţe supradominantă. În acest caz fitnesul indivizilor AA, Aa şi aa poate fi exprimat ca 1-s1, 1 şi 1-s2 respectiv calculele probabilităţii fixării sunt prea complicate pentru a fi redate aici, însă când s1 ≈ s2 probabilitatea este de câteva ori mai mare ca cea pentru mutaţiile neutre.

TIPURI DE MODIFICĂRI LA NIVELUL MACROMOLECULEI DE ADNExistă patru tipuri principale de modificări care au loc în macromolecula de ADN:

1. înlocuirea nucleotidelor, 2. deleţia, 3. adiţia şi 4. inversia acestora. Adiţia, deleţia şi inversia se pot produce pentru una sau mai multe nucleotide. Adiţia şi deleţia

pot modifica secvenţele cadrelor deschise de citire, porţiuni numite ORF (open reading frame), cazîn care, sunt numite frameshift mutations (figura).

Înlocuirea nucleotidelor poate fi împărţită în două clase: tranziţii şi transversii. Tranziţiile reprezintă înlocuirea unei baze azotate purinice (adenină sau guanină) cu altă bază purinică sau a unei baze azotate pirimidinice (timină sau citozină) cu o altă pirimidină (A↔ G; T ↔C)

Substituţia nucleotidelor purinice cu nucleotide pirimidinice sau invers, poartă numele de transversii (A↔T; G↔C; A↔C; T↔G). În majoritatea secvenţelor de ADN, s-a constatat că substituţia nucleotidelor prin tranziţii, intervine mai frecvent decât substituţia prin transversii (Fitch, 1967; Gojobori et al., 1982; Kocher et al., 1991).

Modificările evolutive de la nivelul macromoleculelor de ADN sunt mai complicate decât cele din secvenţele proteice, deoarece există mai multe tipuri de ADN cum ar fi regiunile

codificatoare, regiuni necodificatoare, exoni, introni, regiuni terminale, regiuni repetitive şi secvenţe de inserţie.

Modificările produse de mutaţii la nivelul ADN variază în funcţie de zona în care apar. Chiar dacă luăm în considerare o singură regiune codificatoare, modelul substituţiei nucleotidelor în prima, a doua şi a treia poziţie a unui codon, este diferit. Mai mult, unele regiuni se află sub acţiunea selecţiei naturale, mai mult decât altele, acest fapt contribuind la variaţii ale modelului de evoluţie ale diferitelor regiuni ale ADN.

Modul de apariţie al frameshift mutaţiilor

DIFERENŢE NUCLEOTIDICE ÎNTRE SECVENŢECând două secvenţe de ADN provin din aceeaşi secvenţă ancestrală, evoluează divergent

gradual, datorită substituţiei nucleotidice. Cea mai simplă măsură a divergenţei dintre secvenţe, este proporţia siturilor nucleotidice care diferă între două nucleotide sau distanţa p pentru secvenţele nucleotidice.

În cazul substituţiei aminoacizilor, distanţa p ne dă o estimare a numărului de nucleotide substituite per site, când secvenţele au origine apropiată. Când p are valoare mare, ne dă o subestimare numerică, deoarece nu ţine cont de mutaţiile revers şi de cele paralele.

Pentru a estima numărul substituţiilor nucleotidice, este necesar să folosim un model matematic al substituţiilor nucleotidice. Din acest motiv, a fost constituită o matriţă a ratei substituţiilor nucleotidice (Tabelul) (Nei şi Kumar, 2000).

A T C G A T C GJukes-Cantor model HKY model

A - α α α - βgT βgC agG

T α - α α βgA - agC βgGC α α - α βgA agT - βgGG α α α - agA βgT βgC -

Kimura model Tamura-Nei modelA - β β α - βgT βgC a1gGT β - α β βgA - a2gC βgGC β α - β βgA a2gT - βgGG α β β - a1gA βgT βgC -

Equal-input model General reversible modelA - agT agC agG - agT bgC cgGT agA - agC agG agA - dgC egGC agA agT - agG bgA dgT - fgGG agA agT agC - cgA egT fgC -

Tamura model Unrestricted modelA - βθ2 βθ1 αθ1 - a12 a13 a14T βθ2 - αθ1 βθ1 a21 - a23 a24C βθ2 αθ2 - βθ1 a31 a32 - a34G αθ2 βθ2 βθ1 - a41 a42 a43 -Notă: un element (eij) care intră în una din matricile anterioare de substituţie nucleotidică vaînlocui nucleotida din rândul i cu nucleotida din coloana j. gA, gT, gC şi gG sunt frecvenţele nucleotidelor. θ1 = gG + gC; θ2 = gA + gT.

MODELUL JUKES – CANTORCel mai simplu model de substituţie nucleotidică este cel propus de Jukes şi Cantor în 1969. Acest model presupune că substituţia nucleotidică intervine în orice site cu frecvenţă egală, astfel încât, o nucleotidă este înlocuită cu una din celelalte trei nucleotide rămase cu o probabilitate α pe an (sau o altă unitate de timp). Mai mult, probabilitatea de înlocuire a unei nucleotide cu oricare din celelalte trei, este r=3α, unde r reprezintă probabilitatea de înlocuire pe site pe an. Dacă luăm în considerare două secvenţe X şi Y care au evoluat divergent dintr-o secvenţă comună ancestrală, cu t ani în urmă. Dacă notăm cu qt nucleotidele comune dintre cele două secvenţe şi cu pt (pt=1 – qt) proporţia nucleotidelor diferite, procentul nucleotidelor comune qt+1 în timpul t+1 (măsurat în ani), poate fi obţinut astfel – în primul rând, trebuie să precizăm că acest site care prezintă nucleotide comune pentru X şi Y în timpul t, va rămâne neschimbat în timp, adică în t+1, cu o probabilitate (1-r)2 sau aproximativ 1- 2r, deoarece r reprezintă o cantitate foarte mică astfel încât r2 poate fi neglijat. În plus, un site care prezintă nucleotide diferite în timpul t, va avea aceleaşi nucleotide în timpul t+1 cu o probabilitate 2r/3. Această probabilitate este obţinută ţinând cont de faptul că în momentul în care secvenţele X şi Z au nucleotidele i respectiv j, în timpul t, ele devin identice dacă i în X se schimbă cu j, dar j din Y rămâne neschimbată sau dacă j din Y este înlocuită cu i, iar i din X rămâne neschimbată. Probabilitatea de apariţie a primului eveniment este de α(1-r)=r(1-r)/3, deoarece i in X trebuie să fie înlocuită cu nucleotida j (cu o probabilitate mai mare decât cazul celorlalte două nucleotide), iar nucleotida j din Y trebuie să rămână neschimbată. Probabilitatea de apariţie a celui de-al doilea eveniment este de asemenea r(1-r)/3. Mai mult, probabilitatea totală este 2r(1-r)/3, care devine aproximativ 2r/3 dacă nu se ţine cont de valoarea lui r2.

În cadrul acestui model, se presupune că rata substituţiei nucleotidelor este aceeaşi pentru fiecare pereche de nucleotide, astfel încât frecvenţele aşteptate ale celor patru baze azotate A, T, C şi

G sunt egale cu 0,25. Oricum, nefăcând nici o precizare referitoare la frecvenţa iniţială, valoarea lui d rămâne aceeaşi; altfel spus, nu este necesară o constanţă a valorii frecvenţelor nucleotidice, pentru ca ecuaţia ce dă valoarea diferenţei (d) să fie aplicabilă (Rzhetsky şi Nei, 1995).

MODELUL KIMURA CU 2 PARAMETRIÎn cazul modelului lui Kimura cu 2 parametri se ea în considerare frecvenţa mai mare a tranziţiilor faţă de cea a translaţiilor, rata de substituţie r fiind astfel α+ 2β şi nu 3α .

MODELUL TAMURA - NEIUnul din modelele matematice ce dă concluziile de ordin filogenetic prin metoda maximum likelihood (ML) (metoda probabilităţii maxime), este cel al lui Hasegawa et al. (HKY) (1985). Acest model este un hibrid între modelul bazat pe 2 parametri al lui Kimura şi modelul inputului egal şi ia în considerare atât tranziţiile cât şi transversiile, precum şi valorile conţinutului în GC. Oricum, formulele pentru valoarea lui dˆ în cadrul acestui model sunt destul de complicate (Rzhetsky şi Nei, 1995), astfel încât nu ar trebui să nu-l luăm în considerare. În plus, acest model este inclus în modelul propus de Tamura şi Nei (1993), ca un caz special, permiţând soluţii analitice pentru valoarea distanţei (d).

MODELUL TAMURAUn alt model, cel al lui Tamura din 1992 e deosebit de cel al lui Kimura prin aceea că ia în considerare faptul că frecvenţa celor patru nucleotide nu este egală. De exemplu la Drosophila sau la Hymenoptera ADN mitocondrial are un conţinut mult mai ridicat în AT decât în GC. Deci acest model este un caz particular al celui al lui Kimura pentru cazurile în care conţinutul de GC este foarte înalt sau foarte redus.d = -h ln(1- P / h -Q) - (1/ 2)(1- h) ln(1- 2Q)

unde h = 2θ (1-θ ) , iarθ este conţinutul în GC.Dacă considerăm un caz în care n =∞ şi un set de date ce urmează modelul Tamura-Nei

putem vedea cum se comportă diverse metode. În Figura se observă bineînţeles că modelul Tamura-Nei se ajustează perfect datelor iar celelalte modele subestimează mai mult sau mai puţin numărul real de substituţii. Diferenţele sunt mari pentru d≥ 0,6 , până la d = 0,5 modelul lui Tamura dând rezultate practic identice cu cel Tamura – Nei. Modelele Tamura, Kimura2P şi Jukes – Cantor dau aproape acelaşi rezultat cu modelul Tamura – Nei pentru d = 0,25, chiar şi distanţa p devine foarte similară cu celelalte dacă p ≤ 0,1 . Deci în cazul analizării unor specii apropiate sau a unor gene foarte conservate cum ar fi citocromoxidaza I (COI) nu este necesară utilizarea metodelor prea complexe. În acest caz este mai indicată utilizarea unei metode simple pentru că are o varianţă mai mică. De asemeni ca şi în cazul secvenţelor de aminoacizi şi în cazul celor de acizi nucleici poate fi utilizată distanţa gamma pentru cazurile în care rata substituţiilor diferă substanţial în cadrul aceleiaşi secvenţe. Mai uzuale sunt distanţele gamma pentru modelele Jukes-Kantor, Kimura 2P şi Tamura-Nei. Distanţele gamma sunt mai realiste dar au o varianţă mai mare, din această cauză rezultatele obţinute nu produc în mod obligatoriu rezultate mai bune în analizele filogenetice (doar dacă numărul de nucleotide folosite nu este foarte mare). Pentru estimarea lungimii ramificaţiilor unui arbore filogenetic distanţele gamma dau de obicei rezultate mai bune.

PARTICULARITĂȚILE PRINCIPALELOR METODE TAXONOMICE

Tipologia Fenetica Sistematica evoluționistă

Cladistica

Reflectarea filogenezei în clasificare

Uneori reflectă Nu reflectă Este considerată importantă

Este considerată indispensabilă

Caractere luate în calcul

Cele mai importante

Toate Unicale (apomorfe)

Unicale comune (sinapomorfe)

Reflectare tempoului evoluției

prezentă prezentă prezentă Absentă

Reflectarea grafică a rezultatului

Lipsește Fenogramă Arbore evoluționist

Cladogramă

Tipul de date Caractere separate

Matrița distanțelor dintre taxoni

Caractere separate

Caractere separate

Nivelul ierarhic este determinat de:

Intensitatea deosebirilor

Numărul de deosebiri

Prezența caracterelor sinapomorfe și numărul de deosebiri

Prezența caracterelor sinapomorfe.

METODE DE RECONSTRUIRE A ARBORILOR FILOGENETICI

Metodele utilizate la ora actuală pentru reconstruirea arborilor filogenetici pot fi împărţite în 2 mari categorii:

1. Metode bazate pe distanţe2.Metodele simbolic orientate

metoda MP (Maximum Parsimony)metoda ML (Maximum Likelyhood)

Reconstrucţia unui arbore filogenetic este de obicei privită ca deducerea statistică a adevăratului arbore filogenetic care este necunoscut. Acest proces poate fi subâpărţit în două etape şi anume estimarea topologiei şi estimarea lungimii ramificaţiilor. Când topologia este cunoscută estimarea lungimii ramificaţiilor este relatv simplă,utilizându-se metode ca cea a pătratelor minime sau ML. Cum pentru un număr dat de secvenţe există foarte multe topologii posibile au fost dezvoltate metode de optimizare a căutării cum ar fi cea a maximei verosimilitudini (ML) sau a evoluţiei minime (ME). Pentrun secvenţe mici şi un număr de specii mare aceste metode tind însă să dea topologii greşite.

METODE BAZATE PE DISTANŢE

În cadrul metodelor bazate pe distanţă sau pe matrixul de distanţă, acestea sunt calculate pentru toate perechile de taxoni, iar arborii filogenetici sunt construiţi ţinând cont de relaţiile stabilite în jurul valorilor acestor distanţe.

În acest caz, direcţiile filogenetice sunt construite considerând matrici ale distanţelor în care sunt calculate distanţele între secvenţe luate două câte două. Există un număr foarte mare de metode prin care se pot estima direcţiile filogenetice pornind de la distanţe.

UPGMA (Unweighted Pair-Group Method using Arithmetic Averages)

Numele metodei provine de la „unweighted pair-group method using arithmetic averages" (UPGMA). Metoda este atribuită autorilor Sokal şi Michener (1958), dar s-a constatat ulterior că prezenta metodă este complet diferită de cea utilizată de aceştia. În schimb, algoritmul apare publicat de către Sneath şi Sokal (1973). Un arbore construit pe baza acestei metode este numit şi fenogramă, deoarece a fost iniţial folosit la reprezentarea gradului de similaritate fenotipică pentru un grup de specii, în cadrul taxonomiei numerice. Oricum, poate fi folosit în filogenia moleculară atunci când rata de substituţie a genelor este mai mult sau mai puţin constantă. În special în cazul în care frecvenţa genelor este folosită în reconstrucţia filogenetică, acest model produce arbori destul de buni, comparativ cu alte metode bazate pe distanţă (Nei et al., 1983; Takezaki şi Nei, 1996). În acest caz, o măsură a distanţei care prezintă un coeficient mai mic de variaţie, pare să ducă la construirea de arbori cu o mai mare precizie, comparativ cu alte metode de determinare a distanţei, chiar dacă nu respectă exact numărul de substituţii genice (Takezaki şi Nei, 1996). Prin UPGMA se pot construi arbori pentru evoluţia în cadrul speciilor, cu toate că erori de topologie apar adesea când rata substituţiei genelor nu este constantă sau când numărul de gene sau nucleotide este mic.

În cadrul UPGMA, un mod de măsurare a distanţelor evolutive, este calcularea acestora pentru toate perechile de taxoni sau secvenţe, valorile distanţelor fiind sub forma unei matrici (Tabelul 4)

Tabel 4 – Prima matrice a distanţelor (Nei şi Kumar, 2000)

Taxon 1 2 3 42 d12 - - -3 d13 d23 - -4 d14 d24 d345 d15 d25 d35 d45

Din această matrice, rezultă că dij reprezintă distanţa dintre taxonii i şi j. Analiza grupată (de tip clustal) a taxonilor începe cu perechea de taxoni între care există cea mai mică distanţă. Presupunând că d12 este cea mai mică distanţă dintre toate valorile matricei rezultate,

taxonii 1 şi 2 vor fi grupaţi pornind dintr-un ram comun localizat la distanţa b=d12/2. Din acestea, putem presupune că lungimea ramurilor celor doi taxoni care provin dintr-un ram comun, este aceeaşi. În acest caz, taxonii 1 şi 2 vor fi încadraţi într-un singur taxon compus sau grup [u=(1-2)], iar distanţa dintre acest grup şi un alt taxon k (k≠1,2) este dată de: duk=(d1k+d2k)/2. În plus, obţinem o nouă matrice (Tabel 5)

Tabel 5 A doua matrice a distanţelor (Nei şi Kumar, 2000)

Taxon u=(1-2) 3 43 du3 - -4 du4 d34 -5 du5 d35 d45

În continuare, presupunând că distanţa du3 este cea mai mică, taxonii u şi 3 vor fi încadraţi într-un nou taxon compus sau cluster [v=(1-2-3)], cu o lungime a ramului comun de b=du3/2=(d13+d23)/(2x2). Această distanţă între noul cluster (grup) creat v şi fiecare dintre taxonii rămaşi (k), este dată de: dkv=(dk1+dk2+dk3)/3. Atunci matricea se va transforma în (Tabelul 6):

Tabel 6 A treia matrice a distanţelor

Taxon v=(1-2-3) 44 dv4 -5 dv5 d45

Presupunând că dv4 este cea mai mică valoare din matricea anterioară, putem încadra v=(1-2-3) şi 4 ca având un ram comun dat de b=dv4/2=(d14+d24+d34)/(3x2)

Este evident că ultimul taxon care se alătură celorlalţi trei, este 5 şi ramul comun este dat de: b=(d15+d25+d35+d45)/(4x2).

Este de asemenea posibil, ca în cea de-a doua matrice cea mai mică distanţă poate fi d45 (sau oricare alta în afară de du3). În acest caz, taxonii 4 şi 5, sunt uniţi cu ramura comună dată de b=d45/2, creându-se astfel un nou taxon compus, v=(4-5). Distanţele între v şi alt taxon (3 şi u) sunt date de d3v=(d34+d35)/2 şi duv=(d14+d15+d24+d25)/4. Presupunând că duv este cel mai mic, taxonii u şi v sunt grupaţi iar taxonul 3 va fi ultimul care se va alătura grupului. De asemenea, dacă d3v este cel mai mic, taxonii 3 şi v se vor grupa primii.

METODA NEIGHBOR JOINING (NJ)

Saitou şi Nei (1987) au dezvoltat o metodă eficientă de realizare a arborilor filogenetici, care se bazează pe principiul evoluţiei minime (ME). Această metodă nu examinează toate topologiile posibile, dar în fiecare stadiu de grupare a taxonilor, se foloseşte un principiu de evoluţie minimă. Această metodă se numeşte Neighbour –Joining (NJ) şi este privită ca o versiune

simplificată a metodei ME. Când se folosesc 4 din 5 taxoni, metodele NJ, ME dau rezultate identice (Saitou şi Nei, 1987). Există o oarecare asemănare între NJ şi metoda adiţională de realizare a arborilor, care dă atât topologia cât şi lungimea ramurii simultan.

Unul dintre conceptele importante în această metodă, este reprezentat de „neighbors”, definiţi ca doi taxoni conectaţi printr-un singur nod într-un arbore fără punct de origine. De exemplu, taxonii 1 şi 2 din arborele prezentat în figura A, sunt consideraţi „neighbors” (vecini), pentru că sunt conectaţi doar prin nodul A. Similar taxonii 5 şi 6 sunt consideraţi „neighbors”, dar toate celelalte perechi nu. Cu toate acestea dacă se combină taxonii 1 şi 2 şi se consideră ca fiind un singur taxon, acesta, (1-2) şi taxonul 3 sunt acum „neighbors”. Este posibilă definirea topologiei unui arbore prin alăturări succesive ale taxonilor vecini (nj) şi producerea unor noi perechi de taxoni vecini. De exemplu, topologia arborelui din Figura A poate fi descrisă prin următoarele perechi de taxoni vecini („neighbors”): (1, 2), (5, 6), (1 – 2, 3) şi (1 – 2 –3,4). Astfel, prin găsirea acestor perechi de taxoni vecini, se poate obţine topologia arborelui.

Fig. A. Arborele filogenetic cu lungime ştiută a ramurilor, pentru şase secvenţe

Construirea unui arbore prin intermediul acestei metode, începe cu arborele în formă de stea care este produs, pe baza presupunerii că nu există o grupare a taxonilor (Figura B). În practică, această presupunere este în general incorectă. Astfel, dacă se estimează lungimea ramului unui arbore în formă de stea şi se calculează suma tuturor ramurilor (S0), această sumă ar trebui să fie mai mare decât suma (SF) pentru arborele de tip NJ final. Dacă se elimină taxonii vecini 1 şi 2 din cadrul arborelui prezentat în Figura C, suma (S12) a tuturor lungimilor ramurilor, trebuie să fie mai mică decât S0, cu toate că este posibil să fie mai mare decât SF. În practică, deoarece nu se ştie exact care perechi de taxoni sunt vecini, se consideră toate perechile de taxoni, ca potenţiale perechi de taxoni vecini şi se calculează suma lungimilor ramurilor (Sij) pentru taxonii i şi j, utilizând o topologie similară cu cea din Figura A, se pot alege taxonii i şi j care au cea mai mică valoare pentru Sij Desigur, valorile distanţelor sunt subiectul erorilor stochastice, astfel încât taxonii vecini aleşi în acest mod, nu sunt întotdeauna adevăraţii taxoni vecini. O dată identificată o pereche de taxoni vecini, aceşti sunt încadraţi într-un taxon compus, procedura repetându-se până la producerea arborelui final

Fig.B. Arbore filogenetic în formă de stea

Separarea primilor taxoni vecini (1 şi 2),

Aceste valori sunt determinate prin metoda pătratului minim, pentru actuala topologie a arborelui. Următorul pas, este calcularea distanţei între noul nod A şi taxonii rămaşi (k; 3≤k≤m)

Separarea nodului A de restul taxonilor

Separarea taxonilor 5 şi 6 prin formarea nodului B

Separarea taxonului 3 prin apariţia nodului C

Separarea taxonului 4 prin apariţia nodului D

Dacă se calculează toate distanţele pe baza acestei valori, vom obţine o nouă matrice de tipul (m-1)(m-1). Pentru această nouă matrice, putem calcula o nouă sumă Sij, care va fi notată cu Sij`, deoarece nu include lungimea ramurilor externe pentru prima pereche de taxoni vecini identificaţi, astfel încât apare ca fiind mai mică decât suma totală (Sij) a lungimii braţelor la acest nivel al construcţiei arborelui filogenetic. Pentru găsirea unei noi perechi de taxoni vecini, se ia în considerare din nou perechea cu cea mai mică valoare Sij. Un nou nod B poate fi creat pentru această nouă pereche de taxoni şi o nouă valoare a matricei distanţei (m-2)(m-2) este

calculată. Această procedură se repetă, până când toţi taxonii sunt grupaţi într-un singur arbore fără punct de origine (unrooted tree) de tip neighbour joining

Justificarea principiului evolutiv prin rezultatele altor ştiinţe

Începând cu primele etape de dezvoltare a concepţiei filogenetice actuale, dovezile istorico-naturale luate în consideraţie pentru a demonstra procesul filogenetic au servit pentru înţelegerea mai profundă a particularităţilor procesului evolutiv. Dovezile evoluţiei filogenetice sunt strâns intercalate cu metodele de studiu a proceselor filogenetice.

Structura tuturor organismelor vii este bazată pe structuri complexe macromoleculare de natură proteică. Moleculele de ADN – care conţin codul informaţiei ereditare la toate formele vii (cu excepţia bacteriilor) sunt strâns legate structural cu moleculele proteice, formând nucleoproteidele. Unitatea structurii chimice a plantelor şi animalelor este confirmată de asemănarea principială a structurii clorofilei la plante, hemoglobinei la animalele vertebrate şi a hemocianinei la animalele nevertebrate.

Procesele biochimice de bază de asemenea sunt unice pentru întreaga lume organică: oxidarea, glicoliza, descompunerea acizilor graşi, transportul substanţelor specifice prin membranele biologice . Pentru organismele din diferite grupe sistematice este caracteristică participarea enzimelor cu o structură foarte apropiată în reacţiile biochimice de acelaşi tip. Studiul structurii biochimice comune, precum şi a particularităţilor metabolismului la diferite grupuri de vieţuitoare a dus la concluzia despre caracterul biochimic universal al vieţii pe Pământ, ceea ce este de asemenea şi o dovadă a unităţii originii vieţii.

Originalitatea florei şi faunei diferitor regiuni biogeografice se explică prin istoria formării scoarţei Pământului, istoria geologică a mărilor şi oceanelor. Conturul şi legăturile dintre continente s-au modificat de multe ori pe parcursul istoriei planetei. Izolarea profundă şi de lungă durată a unor regiuni de uscat au dus la apariţia florei şi faunei unice, care se deosebeşte esenţial de flora şi fauna celorlalte regiuni ale Terrei. Apariţia unor legături între continente au dus la interpătrunderea elementelor complexelor floristice şi faunistice vecine. Astfel, marsupialele şi cazuarii sunt elemente caracteristice faunei australiene; leneşii,tatu, hoachinii – celei sud americane, iar cactuşii, bromelia şi canele sunt caracteristice florei neotropicelor.

Particularităţile morfologice comune pot fi înţelese dor cu condiţia acceptării unităţii originii grupelor care posedă aceste caractere. Speciile actuale prezintă doar ramurile terminale ale arborelui filogenetic, trunchiul şi ramurile căruia au dispărut în trecut. Speciile înrudite formează genuri, genurile – familii, familiile – ordine ş.a.m.d. Între aceşti taxoni în natură există decalaje din cauza lipsei tranziţiilor lente. Faptul, că în baza unor complexe de date sistematicienii reuşesc să stabilească cu un grad înalt de veridicitate subordonarea ierarhică a diferitor taxoni (specia se supune genului, genul- familiei ş.a.m.d.) poate fi explicat doar prin existenţa reală a legăturilor evoluţioniste între diferite grupe – prin originea unora de la altele, a celor tinere de la cele bătrâne.

Nivelul sistematic al grupei este determinat în mare măsură de numărul de subdiviziuni fiice. Evidenţierea genurilor, familiilor, ordinelor, claselor prezintă o necesitate obiectivă ci nu se face de dragul comodităţii sistematicii.

Genetica şi selecţia prezintă dovezi elocvente ale procesului evolutiv. Toate rasele de câini au apărut în rezultatul selecţiei naturale din formele sălbatice strămoşeşti. Acelaşi lucru poate fi spus despre rasele de vite, păsări ş.a.. Sun cunoscute rezultatele geneticii şi selecţiei în crearea noilor forme de plante: în mod experimental au fost obţinute nu numai soiuri şi subspecii noi, dar chiar specii, şi chiar genuri noi de plante.

Un rol deosebit pentru teoria evoluţiei filogenetice o are dezvoltarea geneticii populaţionale, care permite de a elucida mecanismele, care duc la schimbarea ireversibilă a frecvenţei anumitor gene în populaţie.

Adăugând la cele spuse numărul enorm şi în permanentă creştere a dovezilor paleontologice ale procesului de dezvoltare istorică a vieţii, putem concluziona, că de fapt avem nevoie nu atât de dovezi ale evoluţiei, ci de stabilirea mecanismelor concrete, care asigură procesele evolutive, precum şi a particularităţile acestui proces la diferite niveluri de organizare a materiei.

Principalele metode de studiu a procesului evolutiv Metodele paleontologice. În linii generale, toate metodele aplicate în paleontologie pot fi considerate ca metode, care asigură studiul procesului evolutiv. În continuare vor fi prezentate doar unele dintre acestea.

Formele fosile de tranziţie – forme de organisme, care combină caracterele grupelor vechi şi a grupelor noi. Căutarea şi descrierea unor asemenea forme asigură reconstruirea filogeniei unor grupe separate.

Un reprezentant al formelor de trecere este Ichtyostega care permite de a sesiza legătura între peşti şi vertebratele terestre. Unii dintre reprezentanţii străvechi ai vertebratelor terestre din grupul stegocefalilor deasemea au păstrat unele caractere ale peştilor.

O formă de trecere de la reptile la păsări sunt şi Archaeopteryx . Acestea au păstrat coada lungă cu vertebre neconcrescute, coaste ventrale şi dinţi ca la reptile, dar acelaşi timp sunt păsări adevărate cu corpul acoperit de pene, membrele anterioare transformate în aripi.

Un alt exemplu din acest şir este reptila Lycaenops din grupa terapsidelor. Dezvoltarea osului mare dental, boltei osoase secundare, tipică pentru mamifere, diferenţierea dinţilor şi alte caractere fac aceste animale asemănătoare cu mamiferele răpitoare străvechi. Dar din punct de vedere al majorităţii caracterelor şi a modului de viaţă acestea erau de fapt reptile adevărate.

Şirurile paleontologice - şiruri de forme fosile, legate între ele în procesul evolutiv, care reflectă evoluţia filogenetică. În dependenţă de numărul de forme de tranziţie găsite şirurile pot fi mai mult ori mai puţin detaliate, dar în mod obligatoriu aceste forme trebuie să se caracterizeze prin

asemănarea nu numai generală, dar şi detaliată după anumite caractere, şi deci, care au legături filogenetice evidente.

Asemenea şiruri sunt deosebit de interesante, când formele lor mai noi sunt de fapt organisme, care vieţuiesc în prezent pe Pământ, fapt ce face mai accesibil înţelegerii cauzele unei asemenea analize profunde a istoriei filogenetice a grupei date, veriga finală a căreia este convieţuitorul nostru, iar formele tranziţionale fosile permit restabilirea filogeniei ei. Cele mai cunoscute în prezent şiruri se referă la cai, rinoceri şi elefanţi. Analiza şirului evolutiv al cailor a fost iniţiat în lucrările lui Kovalevski V.O. (1842-1883).

În baza analizei şirului cailor se vede succesivitatea procesului evolutiv, care conferă formelor străvechi caractere tot mai apropiate şi mai apropiate formelor cailor contemporani.. La examinarea comparată a eohipusului şi calului contemporan este foarte greu să depistezi caracterele de asemănare între aceste forme înrudite , dar existenţa numeroaselor forme succesive de tranziţie demonstrează elocvent această înrudire.

Succesivitatea formelor fosile. Şirurile paleontologice se alcătuiesc în baza analizei unor constatări dispersate, care se referă la diferite regiuni geografice. E clar că unele forme lipsesc din studiu din cauza ca materialul corespunzător nu a fost depistate. Paleontologia contemporană oferă încă o dovadă incontestabilă a proceselor evolutive ce se înregistrează în anumite grupuri.

În anumite condiţii favorabile în acelaşi loc se păstrează în formă de fosile toate formele dispărute. Analiza straturilor acestor depuneri permite reconstruirea succesiunii reale a apariţiei acestor forme. Prioritatea acestei metode constă în aceea, că ea oferă posibilitatea aprecierii reale a vitezei procesului evolutiv.

Studiul evoluţiei ecosistemelor. Aplicarea metodelor moderne de cercetare în paleontologie permite de a obţine date noi, tot mai complete despre istoria vieţii pe Terra. Astfel, prin aplicarea metodei de dizolvare a rocilor înconjurătoare, este posibil de a restabili cele mai fine structuri fosile, inclusiv a microorganismelor. Aplicarea metodelor paleomagnetice, paleochimice, de radioautografie ş.a. permit de a obţine date veridice despre climă şi condiţiile de existenţă din diferite perioade: despre salinitatea oceanului, temperatura apei şi a aerului, componenţa atmosferei ş.a. Sunt depistate tot mai multe forme fosile. Toate aceste date completează golurile în cunoştinţele actuale, dar cu parere de rău încă nu le completează pe toate. În baza noilor realizări ale ştiinţei devine posibilă reconstrucţia succesiunii ecosistemelor. Asemenea reconstruiri succesive a tabloului anumitor regiuni ale planetei sunt nişte metode integrate foarte puternice în stabilirea direcţiei procesului evolutiv pe Pământ.

Fiind metodele de bază pentru studiul macroevoluţiei (care decurge în scara de sute de mii – milioane de ani), metodele paleontologice sunt puţin informative pentru studiul microevoluţiei (care decurge în scara de sute – mii de ani).

Metodele biogeografice. Metodele biogeografice permit de a analiza mersul evoluţiei la diferite nivele.

Compararea florei şi faunei. Despre procesul evolutiv la nivelul apariţiei noilor flore şi faune se poate de vorbit în contextul evoluţiei continentelor păe planetă. La sfârşitul perioadei triasice Pangea s-a desfăcut în două supercontinente: de nord – Lavrasia şi de sud – Gondvana. Gondvana la rândul său s-a desfăcut şi a format continentul African-Sudamerican; Australia cu Antarctida; şi o insulă enormă, care mai târziu a aderat la Asia formând Indostanul. Şa sfârşitul perioadei Jurasice Lavrasia se dezmembrează şi formează America de Nord şi Euroasia, iar America de Sur cu Australia şi Madagascarul mai formează încă un monolit . Urmele acestei unităţi se păstrează şi până în zilele noastre în componenţa faunei. La acestea se referă iguanele Madagascarului şi Americii de Sud, somnii şi peştii haracini din America de sud şi Africa. Cea mai apropiată rudenie a Broaştei africane cu gheare este broasca fagure, care poartă pe spate larvele în dezvoltare. În acelaşi timp broasca paradoxală sud americană, mormolocul căreia ca şi mormolocul broaştei de pământ este mai mare ca forma matură, este legată prin legături mult mai slab pronunţate cu broasca râioasă australiană de pustiu. Acest lucru este clar reieşind din faptul, că Antarctida şi Australia au reuşit deja să se separeu (iar în Australia au reuşit să pătrundă strămoşii marsupialelor, care semănau cu oposumul american – o specie actuală de animale marsupiale.

La sfârşitul perioadei cretacice - începutul neogenului conturul continentelor se apropie de cel actual, apare Oceanul Atlantic, care iniţial era nu prea lat, astfel că pe trunchiuri plutitoare din Africa în America de Sud se deplasau maimuţele primitive şi porcii cu ţepi. Începe să apară fisura între Australia şi Antarctica. Madagascarul se rupe de la Africa şi devine o rezervaţie a formelor străvechi. Indostanul se mişca spre nord ca în sfârşit să se ciocnească cu Asia, să acopere marea Tetis şi să formeze munţii Himalaia. Laurasia rămâne încă incomplet separată, iar schimbul de forme între Lumea Veche şi cea Nouă continuă.

Vom analiza câteva exemple de asemănare şi deosebire a populaţiilor diferitor teritorii din punct de vedere evoluţionist. Fauna mamiferelor Europei de Vest se păstrează foarte asemănătoare cu cea de peste Ural – a Asiei de Nord. Acest lucru se explică prin faptul, că pe teritoriul enorm al Euroasiei nu există bariere de netrecut pentru formele mari şi medii de mamifere. Fauna mamiferelor Africii de nord este foarte asemănătoare cu cea a Asiei de Nord, iar deosebirile nu depăşesc de regulă nivelul de gen. Pentru fauna Americii de nord ca şi pentru cea a Euroasiei de Nord sunt caracteristice asemenea forme ca elanii, jderii, nurca, volverina, urşii polari, pika, veveriţa zburătoare, marmota, popândăul ş.a. Această asemănare se explică prin faptul, că până nu demult (cel mult un milion de ani) între Euroasia şi America de Nord a existat un „pod” – Beringhia.

La compararea faunei mamiferelor Americii de Nord şi celei de Sud, necătând la apropirea lor teritorială, deosebirile sunt enorme, la nivel de genuri, în calitate de endemice pentru America de sud fiind mai mult de 80%. Numai aici locuiesc leneşii (Bradypodidae), furnicarii (Myrmecophagidae), tatu (dasypodidae). Nu mai puţin se deosebeşte şi ornitofauna Americii de Sud. O asemenea originalitate a faunei acestui continent se explică prin faptul, că mai multe zeci de milioane de ani America de Sud a fost complet izolată de alte părţi ale uscatului. Istmul Panama, care a apărut de câteva ori pe parcursul istoriei era prea îngust pentru a asigura un schimb intens de forme între continente.

Aceeaşi situaţie s-a creat şi în Australia, care timp de 120 milioane de ani nu a avut căi de comunicare cu alte continente. În acest teritoriu s-a dezvoltat independent, fără implicarea faunei din

alte regiuni a mamiferelor cu cloacă şi a marsupialelor. Istoria dezvoltării faunei australiene numără în general 4 etape. Prima etapă este pătrunderea (sau dezvoltarea pe loc a Marsupialelor şi Monotrematelor, care au dat naştere varietăţii actuale de specii. A doua etapă s-a înregistrat în timpul scăderii esenţiale a nivelului Oceanului planetar, când de pe şiruri de insule în Australia au pătruns multe specii de rozătoare. A treia etapă constă în introducerea câinelui sălbatic Dingo, care mai degrabă a nimerit aici cu omul cu câteva zeci de mii de ani în urmă şi în sfârşit, în epoca contemporană pe continent au fost introduse cu succes specii de iepuri, cerbi şi alte mamifere.

O analiză de tipul celei efectuate mai sus pentru unele specii de mamifere poate fi realizată pentru specii de plante ori alte animale.

Metoda dată oferă posibilitatea de a estima, cât de strânse sunt legăturile între biodiversitatea unor anumite regiuni ale planetei şi istoria dezvoltării acestor regiuni.

Particularităţile de răspândire a formelor apropiate. Până în prezent în unele râuri ale Angliei şi Irlandei se întâlnesc specii de peşte alb de apă dulce din genul Coregonus, care în trecut era răspândit pe întregul teritoriu al Europei de Nord-Vest. Pe locul Mări Irlandei era un şes larg cu rezervoare enorme cu apă dulce. Coborârea nivelului Europei a dus la pătrunderea apei marinei în bazinele şesului. Peştele alb de apă dulce s-a retras în râurile, care au fost izolate prin masivele de apă de mare şi au evoluat acolo în specii originale. Acest exemplu demonstrează, cum în baza datelor zoogeografice poate fi reconstruit procesul evolutiv şi pot fi obţinute date despre viteza reală a acestui proces. O asemenea analiză poate de asemenea să ne ajute în stabilirea centrelor de origine a anumitor grupe, prin evidenţierea locurilor concentrărilor numerice şi de biodiversitate.

Formele insulare. Individualitatea formelor insulare este cu atât mai mare cu cât mai veche este sciziunea dintre insulă şi restul uscatului. Astfel insulele Britanice care s-au separat recent, se caracterizează printr-un număr mic de specii endemice. În acelaşi timp Fauna Madagascarului care s-a separat de foarte multă vreme de restul uscatului numără 32 genuri endemice de mamifere din cele 36 prezente pe insulă, iar din ornitofaună endemice sunt jumătate din genurile prezente pe insulă.

Analiza detaliată a faunei insulare permite de a stabili căile evoluţiei grupelor de specii înrudite. Un exemplu clasic în acest sens este cel prezentat de Darvin – cintezele insulelor Galapagos. Vârsta insulelor este de cel mult câteva milioane de ani. Careva strămoş al cintezelor actuale a nimerit aici cu mult înaintea altor paseriforme. Acest strămoş a evoluat dând naştere variatelor forme actuale (13 specii).

La categoria formelor insulare se referă şi speciile de peşteră. În peştere se întâlnesc forme, care explică căile evolutive recente. Astfel în Peştera Mamuţilor din America de Nord se întâlneşte peştele orb de peşteră (Amblyopsis spelaea) care se întâlneşte foarte larg în bazinele acvatice ale acestei regiuni. Spre deosebire de acest exemplu formele înrudite ale proteului (Proteus anguinus) din apele subterane din Slovenia sunt amfibienii din genul Necturus din America de Nord.

Răspândirea discontinuă. În istoria dezvoltării planetei sunt dese cazurile, când o specie răspândită pretutindeni dispare din marea parte a arealului în rezultatul modificării condiţiilor şi rămâne într-un număr mic de regiuni mici, unde s-au păstrat condiţii similare celor iniţiale. Un

asemenea exemplu este fauna Alpilor – un complex de specii răspândite în era glaciară. În prezent aceste specii populează doar mici regiuni alpine de altitudine mare.

Un alt exemplu este lăcrimioara (Convallaria majalis) care populează yona pădurilor europene. În Caucaz se întâlneşte o specie foarte apropiată Convallaria transcaucasica, precum şi în Extremul orient - Convallaria keiskei. În trecu întreaga euroasie era populată de o formă de lăcrimioară, care în rezultatul înaintării gheţarilor a fost localizată în anumite regiuni şi s-a dezvoltat formând specii diferite.

Examinarea a unor asemenea situaţii permit de a cunoaşte particularităţile de dezvoltare a vieţii în diferite regiuni ale planetei.

Formele relicte. Despre dezvoltarea filogenetică a vieţii pe Pământ vorbesc foarte elocvent formele relicte care au ajuns până în zilele noastre din trecutul îndepărtat al planetei. Relictele sunt specii ori grupuri mici de specii care posedă un şir de caractere tipice pentru formele demult dispărute. Una din cele mai cunoscute forme relicte este gateria (Sphenodon punctatus), care posedă caracterele reptilelor dispărute cu zeci de milioane de ani în urmă şi în prezent poate fi întâlnită doar în unele regiuni ale Noii Zelande.

Un alt relict este peştele crosopterigian Latimeria caracteristică devonului şi care a ajuns până în zilele noastre în unele regiuni ale apelor teritoriale ale Africii de est.

Între palte relictă este specia de Ginkgo biloga, care în prezent se întâlneşte doar în China şi Japonia.

Astfel, metodele biogeografice permit de a studia atât procesele macroevoluţiei, cât şi pe cele ale microevoluţiei. În legătură cu aplicarea lor pentru studiul procesului microevolutiv au fost introduse chiar discipline noi, aşa ca biogeografia dinamică şi geno(feno)geografia.

Metodele morfologice. Aceste metode se bazează pe afirmaţia, că o asemănare morfologică profundă poate indica asupra unui grad înalt de rudenie între diferite forme.

Omologia organelor . Organele cu un plan comun de structură, care provin din aceleşi germen, care sunt în relaţie asemănătoare cu alte organe şi care îndeplinesc atât funcţiile iniţiale, cât şi cele secundare sunt denumite omoloage. Stabilirea gradului de omologie între diferite organe ale unor forme permit de a judeca despre gradul de înrudire filogenetică a acestor forme.

Este foarte important de a delimita noţiunea de organe analoage, care se caracterizează doar prin asemănarea exterioară a anumitor organe, ceea ce este o dovadă a realizării aceleiaşi funcţii şi nu poate fi o dovadă de rudenie între formele studiate.

Organele rudimentare şi atavismele. Organe rudimentare sunt acelea care apar în faza embrionară sau în faza de creştere a

organismului, iar la maturitate dispar sau degenerează (cum ar fi timusul). De aici evoluţioniştii au tras concluzia că aceste organe ar fi nefolositoare şi existenţa lor nu ar putea fi explicată decât dacă presupunem că acestea ar fi nişte rămăşiţe din stadiile anterioare ale evoluţiei speciei respective. La

o analiză mai atentă se constată totuşi că aceste organe sunt nefolositoare numai în faza adultă, pe când în timpul creşterii au un rol important în organism, iar faptul că apar numai atunci când este nevoie de ele iar apoi dispar nu face decât să confirme existenţa finalităţii şi să contrazică teoria evoluţionistă, deoarece dacă aceste organe ar fi rămase de la specii anterioare atunci nu ar dispărea la maturitate.

Spre deosebire de organele rudimentare care există la toţi indivizii, organele atavice apar numai uneori, constituind nişte anomalii sau monstruozităţi. Din faptul că unele din aceste malformaţii existente la om, de exemplu, prezintă asemănări cu structuri sau organe existente la unele animale, evoluţioniştii trag concluzia că omul descinde din animalele respective şi că, dată fiind inutilitatea acestor organe la om, ele ar fi şi o probă împotriva finalităţii. Ei “uită” însă să precizeze că între malformaţii există şi foarte multe care nu prezintă nici o asemănare cu vre-o structură existentă la animale. În plus, dintr-o asemănare exterioară a unor organe sau ţesuturi, nu rezultă în mod logic faptul că omul ar descinde din animalul respectiv (cu atât mai mult cu cât unele malformaţii se aseamănă cu animale pe care nici evoluţioniştii nu le consideră strămoşi ai omului). În ceea ce priveşte finalitatea, organele atavice nu dovedesc nimic, deoarece reprezintă stări patologice.

Unii evoluţionişti, dată fiind evidenţa faptului că toate vieţuitoarele posedă exact acele organe care le sunt necesare în mediul în care trăiesc, acceptă într-o oarecare măsură ideea de finalitate, numai că “pun carul înaintea boilor” afirmând că “funcţia creează organul”. Dar această afirmaţie nu este nici logică (cum ar putea exista, de exemplu, funcţia vederii înainte de apariţia ochilor?) şi vine în contradicţie cu observaţiile experimentale care arată că în timpul dezvoltării unui organism, organele încep să se formeze cu mult înainte de a îndeplini vreo funcţie (de exemplu, copilul nou născut are deja picioare, dar abia mai târziu învaţă să meargă). Aşadar nu funcţia creează organul, ci organul a fost proiectat pentru a îndeplini o anumită funcţie, proiectul anticipând funcţia pe care urmează să fie îndeplinită.

Morfologia populaţională. Metodele morfologo-populaţionale permit de a depista direcţia selecţiei naturale după modificarea răspândirea valorilor caracterului într-o populaţii la diferite etape de dezvoltare a ei, sau comparativ cu alte populaţii.

METODE UTILIZATE ÎN STUDIUL GENETIC AL POPULAŢIILORPopulaţiile pot fi studiate din punct de vedere genetic cu ajutorul a două metode: metoda

descriptivă şi metoda genetica.Metoda descriptivă se bazează pe caracterizarea fenotipică a indivizilor unei populaţii,

considerându-se că fenotipul biotipurilor din populaţie reprezintă expresia genotipului indivizilor în strânsă relaţie cu mediul înconjurător. Studiind fenotipul organismelor se pot stabili unele raporturi de dependenţă existente între indivizii aceleiaşi colectivităţi. Deoarece într-o populaţie există indivizi asemănători fenotipic, dar desoebiţi din punct de vedere genotipic, înseamnă că analiza populaţiei prin metoda descriptivă nu oferă o imagine reală în ceea ca priveşte structura genetică aacesteia.

Metoda genetică de studiere a populaţiilor a fost posibilă numai după descoperirea legilor lui G. Mendel de segregare a caracterelor in descendenţele hibride. Analiza hibridologică permite studierea formelor rezultate în urma segregării organismelor heterozigote. Cu ajutorul metodei genetice este posibilă evidenţierea, din diversitatea genotipurilor unei populaţii, a acelor genotipuri care corespund mai bine obiectivelor propuse de realizat în procesul de ameliorare.

În analiza genetică a populaţiilor hibride se foloseşte metoda biometrică, completată cu calculul statistic al datelor, obţinând, astfel, modelul teoretic al populaţiei, pornind de la o anumită situaţie dată şi urmărind influenţa exercitată de diferiţi factori care acţioneaza asupra acesteia.

Astfel de studii genetice asupra populaţiilor, bazate pe îmbinarea metodei biometrice cu calculul statistic, a efectuat W. Johansen (1903), care a definit atât populaţia, cât şi grupările componente de indivizi din cadrul populaţiei, adică liniile pure.

Populaţiile autogame, precum şi soiurile autogame, pot fi descompuse în linii pure prin alegerea descendenţilor pe parcursul mai multor generaţii şi prin consangvinizare.

De asemenea, în analiza genetică a populaţiilor se studiază frecvenţa genelor şi a genotipurilor din populaţiile naturale, după metoda elaborată de G. Hardz şi W. Weinberg (1908), care au demonstrat caracterul legic al echilibrul genetic al populaţiilor.