آرایه شناسی تکاملی کلاسیک یا آرایه شناسی تکاملی ، از یک سیستم طبقه بندی فیلوژنتیک استفاده می کند و ارتباط های تکاملی را در درخت های فیلوژنتیک نشان می دهد . آرایه شناسان تکاملی ، هم تکامل شاخه ای و هم حد واگرایی ( تغییرات ساختاری و تغییرات دیگر ) را در یک دودمان از آغاز رخداد انشعاب از گروهی اصلی در نظر می گیرند . آن های برای ارزیابی همانندی ها و تفاوت های موجود در یک گروه ، از ویژگی های نیایی و مشتق شدۀ مشترک توأماً بهره می گیرند . کارشناس علم رده بندی با سود بردن از رویکردهای تکاملی ممکن است اظهار کنند که دولفین بیش تر پستاندار است تا ماهی ، چون در ویژگی های مشترک بسیاری با سایر پستانداران سهیم است و این ویژگی ها را می توان در تباری مشترک جستجو کرد . هم چون کارشناسان کلادیسم ، آرایه شناسان تکاملی موجودات زنده را ، بسته به ویژگی های مشترکشان ، تنها در صورتی که این ویژگی ها
96-Approach
از یک تبار مشترک سرچشمه گرفته باشند ، در سطوح رده بندی مشابه طبقه بندی می کنند . آرایه شناسان تکاملی اهمیت سازش های کسب شده توسط موجودات زندۀ خویشاوند را نیز در نظر می گیرند . مثلاً اگر بتوان نشان داد که پستانداران تخمگذار سازش های گوناگون با اهمیتی را نسبت به پستانداران دیگر داشته اند ، این آرایه شناسان به ایجاد آرایه ای مجزا برای آن ها اقدام می کنند . از سوی دیگر ، گرچه دارا بودن تبار مشترک برای قرار گرفتن در گروهی مشابه لازم است ، ولی کافی به نظر نمی رسد ( بر خلاف آن چه در روش کلادیستیک مطرح است ) . بیش تر آرایه های که اخیراً توسط آرایه شناسان تکاملی تحت عنوان « تک نیایی » به رسمیت شناخته شده اند بر اساس برخورداری آن ها از ویژگی های مشتق شدۀ مشترک بوده است . این آرایه ها هم چنین توسط کارشناسان کلادیستیک پذیرفته شده اند . مثلاً طرفداران هر دو روش توافق نظر دارند که پرندگان بر اساس برخورداری از ویژگی های اشتیاق یافتۀ مشترک ، نظیر داشتن پر ، یک آرایۀ تک نیایی هستند . با این حال ، آرایه شناسی تکاملی آرایه های « هم نیا » را نیز به رسمیت می شناسد . آرایه ها هم نیا شامل برخی ، ولی نه تمام زیر گروه هایی از موجودات زنده اند که در آخرین نیای مشترک سهیم هستند . گروه های هم نیا ( پارافیلتیک ) بر مبنای ویژگی های نیایی مشترک طبقه بندی می شوند . برای مثال ، کارشناسان کلادیستیک ، خزندگان را به عنوان گروهی طبیعی شامل مارها ، سوسمارها ، تمساح ها ،
دایناسورها و لاک پشت ها به رسمیت نمی شناسند ، زیرا جانواران مذکور یک کلادمونوفیلتیک را به وجود نمی آورند . این کارشناسان ، ردۀ خزندگان را شامل پرندگان نیز در نظر می گیرند . متقابلاً آرایه شناسان تکاملی با آن که خزندگان را به عنوان یک گروه معتبر می پذیرند ، ولی پرندگان را شامل آن نمی دانند .
حتی آن ها خزندگان را به عنوان یک ردۀ پارافیلتیک تصور می کنند که حتماً نباید در برگیرندۀ تمام زیر گروه هایی نظیر پرندگان باشد که از نیاکان خزنده تبار تکامل یافته اند .
آرایه شناسان تکاملی تصمیم گیری خود را بر مبنای داده های متفاوت بنا می کنند . آن ها در نظر می گیرند که خزندگان در بسیاری از صفات اجدادی ، نظیر خون سردی ، مشترک اند . آن ها پرندگان را به ردۀ جداگانه ای نسبت می دهند ، با آن که این ارگانیسم ها مشخصاً از خزندگان اشتقاق یافته اند
97-Reptilia
98-Poikilothermy
خزندگان نهایی
واگرایی
شکل 6 ـ 8 : رهیافت آرایه شناسی تکاملی کلاسیک .
این آرایه شناسان هم نیای مشترک و هم حد واگرایی را از آغاز رخداد انشعاب دو آرایه در نظر می گیرند . نقاط شاخه ای و درجاتی از تفاوت در تکامل گروه های بزرگی از خزندگان نشان داده شده است . مارها ، سوسمارها و دایناسورها و تماسح ها نزدیک ترین خویشاوندان هستند زیرا آن ها از نیای مشترک متأخرتری اشتقاق یافته اند .
استفاده از زیست شناسی مولکولی به عنوان ابزار تاکسونومیک
هنگامی که یک گونۀ جدید تکامل می یابد ، لزومی ندارد که حتماً تفاوت های فنوتیپی آشکای ، نسبت به خویشاوندان نزدیک خود داشته باشد . برای مثال ، دوگونۀ مجزا از مگس میوه ( دروزوفیل ) ممکن است در ظاهر همانند باشند ، با این حال امکان دارد از نظر برخی بخش های DNA ، پروتئین ها و مولکول های دیگر متفاوت باشند . گوناگونی های ساختاری درشت مولکول های ویژه همانند تفاوت هایی در ساختارهای کالبد شناختی ، پیامد پدیدۀ جهش هستند .
درشت مولکوهایی که از نظر عملکرد در دو موجود زندۀ متفاوت ، همانند ، در صورت همانند بودن زیر واحدهای ساختاری آن ها ، هم ساخت در نظر گرفته می شوند . به وجود آمدن آرایه شناسی مولکولی بر پایۀ شناسایی ساختارهای مولکولی بوده است . بررسی تفاوت های موجود در توالی زیر واحدهای درشت مولکولی را می تواند ما را در تعیین خویشاوندی های تکاملی یاری دهد . روش هایی که به آرایه شناس امکان می دهند تا توالی
99- drosophila
100-macromolecule
101-molecular taxonomy نوکلئوتیدهای اسیدهای نوکلئیک و توالی اسیدهای آمینه پروتئین ها را مقایسه کنند . به ابزارهای تاکسونومیکی مهمی تبدیل شده اند . چنین مقایسه های اطلاعات با ارزشی را دربارۀ میزان خویشاوندی دو ارگانیسم در اختیار کارشناسان علم رده بندی قرار می دهند . چنین به نظر می رسد که هر چه ترتیب توالی « زیر واحد » ها شبیه تر باشند ، دارای خویشاوندی نزدیک تری هستند . تعداد تغییرات موجود در توالی های نوکلئوتیدهای DNA و RNA یا توالی های اسیدهای آمینه می تواند بازتاب این امر باشد که از جدا شدن چنین گروه هایی از یک نیای مشترک چه مدت زمانی گذشته است ( این نتیجه گیری فقط هنگامی می تواند واقعی باشد که نرخ تغییرات تابت باقی مانده باشد ) . بنابراین ، از ژن های ویژه و پروتئین های ویژه می توان به عنوان ساعت های مولکولی بهره گرفت . زیست شناسان می توانند از وجود چنین ساعت هایی برای تعیین زمان انشعاب دو گروه از یک نیای مشترک استفاده کنند . بسیاری از کارشناسان علم رده بندی اخیراً برای کمک به توصیف بسیاری از تبارزایی ها ، ساختارهای RAN ی ریبوزومی را مورد مقایسه قرار می دهند . تقسیم بندی موجودات زنده به 3 قلمرو و به میزان چشمگیری بر پایۀ مقایسۀ RNA ی ریبوزومی توسط « کارل وُاِز » و همکارانش از دانشگاه ایلینویز بنیان نهاده شد . همۀ موجودات زندۀ شناخته شده حاوی ریبوزوم ها هستند که در سنتز پروتئین عمل می کنند . در تکامل ، توالی های نوکلئوتیدی RAN ی ریبوزومی معینی به خوبی محفوظ مانده اند . همۀ ریبوزوم های پروکاریوتی دارای 3 نوع RNA هستند که به ترتیب از اندازۀ کوچک تا بزرگ نامگذاری شده اند ؛ S 5 ، S 16 و S 23 . به منظور خویشاوندی های تکاملی بین باکتری ها ، از RNA های S 5 ، S 16 به طور گسترده ای بهره گیری شده است . برای دودمان سازی ( کلون کردن ) ژن های ریبوزومی گونۀ منفرد از تکنیک رایجی تحت عنوان PCR ( واکنش زنجیره ای پلی مراز ) استفاده شده است . از مقایسۀ توالی های RNA ی ریبوزومی برای تغییر در اندیشۀ پذیرفته شدۀ قدیمی ، که قارچ ها را خویشاوندان نزدیک تر به گیاهان می پنداشت تا به جانوران ، بهره گرفته شد . در سال 1993 ، در مجلۀ تکامل یافته اند .
102-Subunit
103-Molecular clocks
104-Illinois
105-Cloning
106-Polymearse chain reaction (PCR) درجۀ تشابه مدرکی است برای گستردگی خویشاوندی های مشترک . بررسی آنزیم سیتوکروم C ، نمونه ای مناسب از کاربرد روش مقایسه ای در تعیین الگوهای تکاملی به شمار می رود . سیتوکروم C جزیی از زنجیرۀ تنفسی میتو کندری است . سیتوکروم C ، همراه با پروتئین های دیگر چرخۀ اسید سیتریک و زنجیرۀ تنفسی در سلول های یوکاریوت ها یافت می شود . در انسان این پروتئین دارای ساختار اولیه ای شامل 104 اسید آمینه است . مقایسۀ موقعیت های اسید آمینه ای سیتوکروم C موجودات مختلف با انسان نشان می دهد که انسان و شمپانزه در تمامی موقعیت ها همانندند . انسان در 1 اسید آمینه از میمونِ رِسوس ، 18 اسید آمینه از جوجه ، 19 اسید آمینه از لاک پشت ، 20 اسید آمینه از مار زنگی و 56 اسید آمینه از ماهی تون تفاوت نشان می دهد . مقایسۀ چنین توالی هایی بیان گر آن است که هر چه تفاوت سیتوکروم C بین گونه ها بیش تر می شود ، از نظر تاکسونومی نیز فاصلۀ بیش تری پیدا می کنند . درخت های تبارزایی که بر مبنای مطالعۀ ستیوکروم C بنا نهاده شده اند با شواهد کالبد شناختی مقایسه ای و ذخایر فسیلی مطابقت دارند .
نقص تاریخچۀ فسیلی
برای تشکیل شدن فسیل به نحو مطلوب شرایطی مورد نیاز است . ارگانیسم باید در مکانی مناسب ( کم اکسیژن ) و دمای مناسب قرار گیرد . بیش تر موجودات در محیط های اکسیژن دار زندگی می کنند ، بنابراین گروه های زیادی از فسیل ها مجموعه ای از موجودات را تشکیل می دهند که به وسیلۀ باد یا آب به مناطق فاقد اکسیژن حمل شده اند . فسیل ، پس از احاطه شدن به وسیلۀ لایه ای صخره ای ، نباید در معرض فرایندهای زمین شناختی قرارگیرد ، چون امکان دارد که صخره ها توسط سایش و یا روی هم انباشته شدن چینه ها و ذوب شدن لایه ها تغییر شکل دهند . اگر فسیل کاملاً حفظ شود ، شانس بسیار کمی وجود دارد که به دست جویندگان فسیل بیفتد . ممکن است فسیل ناقصی کشف شود که به راحتی قابل شناسایی نباشد . بخش قابل توجهی از گونه ها ، فسیلی از خود به جای نگذاشته اند . اغلب فسیل ها یا تخریب شده اند و یا فقط مقداری از آن ها کشف شده است . اثر فسیلی کاملاً حفظ شده از یک ارگانیسم قطعاً متعلق به گونه ای مطلوب بوده که به مدت طولانی زندگی کرده ، فراوان بوده و صدف یا اسکلت سختی داشته است . از زمان داروین و حتی پس از آن که دانشمندان دریافتند که آرکئوپتریکس حد واسط بین خزندگان و پرندگان است ، هنوز شکاف های ناشناختۀ بسیاری در ذخایر فسیلی وجود دارند . امروزه ، ذخایر فسیلی کامل تر شده اند .
107-Rhesus
تر شده اند . به طوری که در مهره داران ، فسیل های یافت شده تمامی گروه های اصلی را به هم مرتبط می کنند و در این بین اشکالی که پستانداران را به خزندگان ارتباط می دهند ، به خوبی شناسایی شده اند . فسیل های مربوط به دسته ای از پستانداران دریایی انقراض یافته ، که وال ها را به چهار پایان سُم دار اجدادی مرتبط می کنند ، یکی از آخرین شکاف های با اهمیت را پر کرده اند .
سیستما تیک مولکولی
طی سال ها بررسی مقایسه ای پروتئین ها و اسیدها نوکلئیک ، این درشت مولکول ها به ابزارهای توانمندی برای مطالعۀ تکامل تبدیل شده اند . در برخی موارد که بقایای فسیلی گذشتۀ روشنی را از تبارزایی موجودات در اختیار قرار نمی دهند ، درشت مولکول های اطلاعاتی ما را قادر می سازند تا شکاف های تاریخ تکامل را پر کنیم .
اسیدهای نوکلئیک ( DNA , RNA ) و پروتئین ها ، مولکول های خطی هستند که به ترتیب از واحدهای نوکلئوتید و اسیدهای آمینه تشکیل شده اند . توالی زیر واحدها در برگیرندۀ اطلاعاتی هستند که نظیر آن ها در توالی حروف و علایم نقطه گذاری در یک جمله دیده می شود .
مقایسۀ دو درشت مولکول شمار واحدهای متفاوت موجود در هر یک از آن ها را مشخص می کند . شمار تفاوت ها معمولاً نشانه ای است که به وسیلۀ آن می توان فاصلۀ موجودات را تانیای مشترکشان تعیین کرد .
مثلاً ، دانشمندان به وسیلۀ تجزیۀ DNA و پروتئین موفق به تأیید نظریۀ قدیمی شدند مبنی بر این که سه پستاندار پاندای قرمز ، پاندای بزرگ و خرس قهوه ای بیش از 40 میلیون سال پیش از یک نیای مشترک اشتقاق یافته اند . نتایج آزمایش های دقیق بیانگر انشعابی است که زاده ها رخ داده است . یک شاخه احتمالاً راکون های جدید و پانداهای قرمز را ایجاد کرده است و از شاخۀ دیگر خرس ها به وجود آمده اند . چندی بعد ، یعنی بین 15 تا 20 میلیون سال پیش ، انشعابی از دودمان خرس ها ، اجداد پاندای بزرگ را در مسیر تکاملی واحدی قرار داده است . بدین سبب ، به نظر می رسد که پانداهای بزرگ نسبت به پانداهای قرمز ، خویشاوندی نزدیک تری با خرس ها داشته باشند . دانشمندان هم چنین با استفاده از دانسته های مولکولی توانسته اند حتی انواع بسیار متفاوتی از موجوداتی مانند مخمر ، کاج و انسان را مورد مقایسه دهند .
مقایسۀ پروتئین ها
در سطح مولکولی ، تبارزایی ( فیلوژنی ) را می توان در تفاوت های پروتئینی جستجو کرد . پروتئین ها را می توان اثر انگشت شیمیایی تاریخ تکامل نامید ، زیرا آن ها از توالی اسید های آمینه ای برخوردارند که خود دگرگونی هایی را در نتیجۀ تغییرات ژنتیکی کسب کرده اند . سازگاری زیاد در موقعیت های آمینو اسیدی دو پروتئین از دو گونۀ متفاوت نشان می دهد که ژن های وابسته به چنین پروتئین هایی از یک ژن مشترک سرچشمه گرفته اند و از یک نیای مشترک تکامل یافته اند . درجۀ تشابه مدرکی است برای گستردگی خویشاوندی های مشترک ، بررسی آنزیم سیتوکروم C ، نمونه ای مناسب از کاربرد روش مقایسه ای در تعیین الگوهای تکاملی به شمار می رود . سیتوکروم C جزیی از زنجیرۀ تنفسی میتو کندری است . سیتوکروم C ، همراه با پروتئین های دیگر چرخۀ اسید سیتریک و زنجیرۀ تنفسی در سلول های یوکاریوت ها یافت می شود .
در انسان ، این پروتئین دارای ساختار اولیه ای شامل 104 اسید آمینه است . مقایسۀ موقعیت های اسید آمینه ای سیتوکروم C موجودات مختلف با انسان نشان می دهد که انسان و شمپانزه در تمامی موقعیت ها همانندند . انسان در 1 اسید آمینه از میمونِ رِسوس ، 18 اسید آمینه از جوجه ، 19 اسید آمینه از لاک پشت ، 20 اسید آمینه از مار زنگی و 56 اسید آمینه از ماهی تون تفاوت نشان می دهد . مقایسۀ چنین توالی هایی بیانگر آن است که هر چه تفاوت سیتوکروم C بین گونه ها بیش تر می شود ، از نظر تاکوسونومی نیز فاصلۀ بیش تری پیدا می کنند . درخت های تبارزایی که برمبنای مطالعۀ سیتوکروم C بنا نهاده شده اند با شواهد کالبد شناختی مقایسه ای و ذخایر فسیلی مطابقت دارند .
مقایسۀ DNA
مقایسۀ ژن ها یا ژنوم دو گونه مستقیم ترین روش اندازه گیری وراثت مشترک از اجداد مشترک است . این مقایسه می تواند از سه طریق صورت پذیرد :
الف ـ توالی یابی DNA
ب ـ دورگه گیری DNA
ج ـ نقشۀ برش
الف ـ توالی یابی DNA
دقیق ترین و موثرترین روش برای مقایسۀ DNA ی دو گونۀ ، تعیین تمامی توالی های نوکلئوتیدی قطعات DNA است . در این روش ، پژوهشگران با استفاده از تکنیک های DNA ی
نوترکیب برای آماده سازی قطعات DNA از دو گونه ، توالی های نوکلئوتیدی قطعات DNA را تعیین می کنند . مقایسۀ این توالی ها دقیقاً بیانگر آن است که چه میزان واگرایی در تکامل دو ژن انشعاب یافته از ژن اجدادی مشترک صورت پذیرفته است . روش مشابه دیگر ، توالی یابی RNA ی ریبوزومی ) rRNA ( نام دارد . RRNA نوعی فراوردۀ ژنی است و در تمام موجودات یافت می شود. به دلیل این که ژن های rRNA تغییرات نسبتاً کندتری را نسبت به دیگر DNA ها نشان می دهند ، تفاوت های موجود در توالی های rRNA می توانند برای ردیابی برخی از انشعابات نخستین در درخت حیاتی مورد بهره برداری قرار گیرند . مقایسۀ توالی های rRNA به ویژه در سازماندهی ارتباط های فیلوژنتیکی بین باکتری ها بسیار سودمند است . در چند سال اخیر ، ابداع روش های جدید سیستماتیک مولکولی ، همانند روش واکنش زنجیره ای پلی مراز ) PCR ( ، برای گسترش دادن DNA به زیست شناسان مولکولی فرصت داد تا زنجیره های فرعی DNA را از روی باقیمانده های سنگواره ای ، بافت هایمومیایی شده یا پوست های خشک موجود در موزه ها تعیین کنند .
با آن که اشیا فقط دارای مقادیر ناچیزی از DNA هستند ( مولکول DNA از سنگواره هایی که عمر آن ها به 135 میلیون سال می رسد کشف و استخراج شده است ) به کمک روش PCR ، می توان از آن ها نسخه های زیادی به دست آورد و با DNA ی همتای جدید مقایسه کرد .
ب ـ دورگه گیری بین گونه ای
DNA ی موجود در کروموزوم های تمامی موجودات زنده دو رشته ای است که با پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل به هم متصل شده اند. دو رشتۀ DNA ممکن است به وسیلۀ گرما از هم جداشوند ، هنگامی که دما به اندازۀ کافی بالا رود ، پیوندهای هیدروژنی شکسته شده و دو رشته از هم گسیخته می شوند . میزان جدایی را می توان با مشاهدۀ جذب پرتو فرابنفش اندازه گیری کرد .DNAی تک رشته ای بیش تر باشد ، میزان جذب پرتو فرابنفش بالاتر خواهد رفت. حال فرض کنید که دو رشته DNA ی تک رشته ای در اختیار دارید که در آن ها تنها نصف بازها مکمل هستند . بازهای مکمل ، با آن که اندک اند ، باز هم دو رشته را چسبیده به هم نگاه می دارند ، ولی میزان پیوند های هیدروژنی تنها نصف مقدار معمولی خواهد بود . اگر این زنجیرۀ مارپیچ نیم دو تایی شده را گرما دهید ، متوجه می شوید که چون
109-Semidouble helix
پیوندهای هیدروژنی در این دو رشتۀ جدید کم تر شده اند ، یعنی ، نصف گردیده اند ، دمای کم تری برای جدا شدن آن ها لازم است . رشتۀ DNA در گونه هایی که از لحاظ تکاملی ارتباط نزدیکی دارند ، نسبت به گونه هایی با فاصلۀ تکاملی دور ، دارای توالی های نوکلئوتیدی مشابه تری هستند . در روشی که دورگه گیری DNA ـ DNA خوانده می شود ، DNA ی هر دو گونۀ متفاوت را گرما می دهند تا از هم جدا شوند و یا ، به عبارت دیگر ، ذوب شوند و به رشته های نوکلئوتیدی منفرد تبدیل گردند . پس از آن به رشته ها فرصت می دهند تا از طریق جفت شدن باز های مکمل ، دورگۀ ( هیبرید ) « مارپیچ دوگانه » را تشکیل دهند . سپس مارپیچ هیبرید شده را دوباره گرما می دهند و دمایی را که در آن دو رشته ذوب می شوند اندازه می گیرند . دمایی که برای جدا کردن دو رشتۀ DNA از گونه های مختلف مورد نیاز است بسیار کم تر از دمای مورد نیاز برای جدا کردن دو رشته از گونۀ مشابه خواهد بود . اصل بر این است که هر چه تشابه توالی های نوکلئوتیدی بیش تر باشد ، میزان پیوندهای هیدروژنی بین آن ها بیش تر خواهد بود و دمای مورد نیاز برای جفت شدن و ذوب شدن DNA ی هیبرید با دمای مورد نیاز برای DNA ی گونه ای واحد بسیار شبیه باشد ، دو گونه از لحاظ ژنتیکی بسیار شبیه اند و خویشاوندی بسیار نزدیکی دارند .
با استفاده از این گونه اطلاعات قادر خواهیم شد انشعابات درخت تکاملی را بر اساس دمای مورد نیاز برای جداسازی مارپیچ های هیبرید ترسیم کنیم . درخت های تکاملی طراحی شده به کمک این تکنیک معمولاً با فیلوژنی که از طریق دیگر روش ها ، همانند ریخت شناسی مقایسه ای ارائه می شوند ، مطابقت دارند .
110-Hybridization DNA ـ DNA
111-Hybrid
112-Doble helix
DNA مجدداً برای جدا شدن به تک رشته ها کرما داده می شود ؛ اندازه گیری دمای نقطۀ تفکیک
دورگه گیری DNA ـ DNA . هنگامی که DNA گرما داده می شود دو رشته به تدریج از هم جدا می شوند . سپس رشته DNA ی متعلق به ارگانیسم های متفاوت در کنار هم قرار می گیرند و سرد می شوند . پیوندهای هیدروژنی باعث پیوند مجدد مکمل های بین رشته ها می شود ، هنگامی که رشته های DNA ی دو گونه با چنین روشی دورگه سازی شدند ، میزان جور شدن آن ها نشان می دهد که گونه ها تا چه حد به یکدیگر وابسته اند . در مرحلۀ بعد ، رشته های دورگه گرما داده می شوند . دمای مورد نیاز برای جدا کردن این رشته ها ارتباطات تکاملی آن ها را متجلی می سازد . دارا بودن دماهای مشابه برای جدا شدن مؤید دارابودن نیای واحد مشترک است .
96-Approach
از یک تبار مشترک سرچشمه گرفته باشند ، در سطوح رده بندی مشابه طبقه بندی می کنند . آرایه شناسان تکاملی اهمیت سازش های کسب شده توسط موجودات زندۀ خویشاوند را نیز در نظر می گیرند . مثلاً اگر بتوان نشان داد که پستانداران تخمگذار سازش های گوناگون با اهمیتی را نسبت به پستانداران دیگر داشته اند ، این آرایه شناسان به ایجاد آرایه ای مجزا برای آن ها اقدام می کنند . از سوی دیگر ، گرچه دارا بودن تبار مشترک برای قرار گرفتن در گروهی مشابه لازم است ، ولی کافی به نظر نمی رسد ( بر خلاف آن چه در روش کلادیستیک مطرح است ) . بیش تر آرایه های که اخیراً توسط آرایه شناسان تکاملی تحت عنوان « تک نیایی » به رسمیت شناخته شده اند بر اساس برخورداری آن ها از ویژگی های مشتق شدۀ مشترک بوده است . این آرایه ها هم چنین توسط کارشناسان کلادیستیک پذیرفته شده اند . مثلاً طرفداران هر دو روش توافق نظر دارند که پرندگان بر اساس برخورداری از ویژگی های اشتیاق یافتۀ مشترک ، نظیر داشتن پر ، یک آرایۀ تک نیایی هستند . با این حال ، آرایه شناسی تکاملی آرایه های « هم نیا » را نیز به رسمیت می شناسد . آرایه ها هم نیا شامل برخی ، ولی نه تمام زیر گروه هایی از موجودات زنده اند که در آخرین نیای مشترک سهیم هستند . گروه های هم نیا ( پارافیلتیک ) بر مبنای ویژگی های نیایی مشترک طبقه بندی می شوند . برای مثال ، کارشناسان کلادیستیک ، خزندگان را به عنوان گروهی طبیعی شامل مارها ، سوسمارها ، تمساح ها ،
دایناسورها و لاک پشت ها به رسمیت نمی شناسند ، زیرا جانواران مذکور یک کلادمونوفیلتیک را به وجود نمی آورند . این کارشناسان ، ردۀ خزندگان را شامل پرندگان نیز در نظر می گیرند . متقابلاً آرایه شناسان تکاملی با آن که خزندگان را به عنوان یک گروه معتبر می پذیرند ، ولی پرندگان را شامل آن نمی دانند .
حتی آن ها خزندگان را به عنوان یک ردۀ پارافیلتیک تصور می کنند که حتماً نباید در برگیرندۀ تمام زیر گروه هایی نظیر پرندگان باشد که از نیاکان خزنده تبار تکامل یافته اند .
آرایه شناسان تکاملی تصمیم گیری خود را بر مبنای داده های متفاوت بنا می کنند . آن ها در نظر می گیرند که خزندگان در بسیاری از صفات اجدادی ، نظیر خون سردی ، مشترک اند . آن ها پرندگان را به ردۀ جداگانه ای نسبت می دهند ، با آن که این ارگانیسم ها مشخصاً از خزندگان اشتقاق یافته اند
97-Reptilia
98-Poikilothermy
خزندگان نهایی
واگرایی
شکل 6 ـ 8 : رهیافت آرایه شناسی تکاملی کلاسیک .
این آرایه شناسان هم نیای مشترک و هم حد واگرایی را از آغاز رخداد انشعاب دو آرایه در نظر می گیرند . نقاط شاخه ای و درجاتی از تفاوت در تکامل گروه های بزرگی از خزندگان نشان داده شده است . مارها ، سوسمارها و دایناسورها و تماسح ها نزدیک ترین خویشاوندان هستند زیرا آن ها از نیای مشترک متأخرتری اشتقاق یافته اند .
استفاده از زیست شناسی مولکولی به عنوان ابزار تاکسونومیک
هنگامی که یک گونۀ جدید تکامل می یابد ، لزومی ندارد که حتماً تفاوت های فنوتیپی آشکای ، نسبت به خویشاوندان نزدیک خود داشته باشد . برای مثال ، دوگونۀ مجزا از مگس میوه ( دروزوفیل ) ممکن است در ظاهر همانند باشند ، با این حال امکان دارد از نظر برخی بخش های DNA ، پروتئین ها و مولکول های دیگر متفاوت باشند . گوناگونی های ساختاری درشت مولکول های ویژه همانند تفاوت هایی در ساختارهای کالبد شناختی ، پیامد پدیدۀ جهش هستند .
درشت مولکوهایی که از نظر عملکرد در دو موجود زندۀ متفاوت ، همانند ، در صورت همانند بودن زیر واحدهای ساختاری آن ها ، هم ساخت در نظر گرفته می شوند . به وجود آمدن آرایه شناسی مولکولی بر پایۀ شناسایی ساختارهای مولکولی بوده است . بررسی تفاوت های موجود در توالی زیر واحدهای درشت مولکولی را می تواند ما را در تعیین خویشاوندی های تکاملی یاری دهد . روش هایی که به آرایه شناس امکان می دهند تا توالی
99- drosophila
100-macromolecule
101-molecular taxonomy نوکلئوتیدهای اسیدهای نوکلئیک و توالی اسیدهای آمینه پروتئین ها را مقایسه کنند . به ابزارهای تاکسونومیکی مهمی تبدیل شده اند . چنین مقایسه های اطلاعات با ارزشی را دربارۀ میزان خویشاوندی دو ارگانیسم در اختیار کارشناسان علم رده بندی قرار می دهند . چنین به نظر می رسد که هر چه ترتیب توالی « زیر واحد » ها شبیه تر باشند ، دارای خویشاوندی نزدیک تری هستند . تعداد تغییرات موجود در توالی های نوکلئوتیدهای DNA و RNA یا توالی های اسیدهای آمینه می تواند بازتاب این امر باشد که از جدا شدن چنین گروه هایی از یک نیای مشترک چه مدت زمانی گذشته است ( این نتیجه گیری فقط هنگامی می تواند واقعی باشد که نرخ تغییرات تابت باقی مانده باشد ) . بنابراین ، از ژن های ویژه و پروتئین های ویژه می توان به عنوان ساعت های مولکولی بهره گرفت . زیست شناسان می توانند از وجود چنین ساعت هایی برای تعیین زمان انشعاب دو گروه از یک نیای مشترک استفاده کنند . بسیاری از کارشناسان علم رده بندی اخیراً برای کمک به توصیف بسیاری از تبارزایی ها ، ساختارهای RAN ی ریبوزومی را مورد مقایسه قرار می دهند . تقسیم بندی موجودات زنده به 3 قلمرو و به میزان چشمگیری بر پایۀ مقایسۀ RNA ی ریبوزومی توسط « کارل وُاِز » و همکارانش از دانشگاه ایلینویز بنیان نهاده شد . همۀ موجودات زندۀ شناخته شده حاوی ریبوزوم ها هستند که در سنتز پروتئین عمل می کنند . در تکامل ، توالی های نوکلئوتیدی RAN ی ریبوزومی معینی به خوبی محفوظ مانده اند . همۀ ریبوزوم های پروکاریوتی دارای 3 نوع RNA هستند که به ترتیب از اندازۀ کوچک تا بزرگ نامگذاری شده اند ؛ S 5 ، S 16 و S 23 . به منظور خویشاوندی های تکاملی بین باکتری ها ، از RNA های S 5 ، S 16 به طور گسترده ای بهره گیری شده است . برای دودمان سازی ( کلون کردن ) ژن های ریبوزومی گونۀ منفرد از تکنیک رایجی تحت عنوان PCR ( واکنش زنجیره ای پلی مراز ) استفاده شده است . از مقایسۀ توالی های RNA ی ریبوزومی برای تغییر در اندیشۀ پذیرفته شدۀ قدیمی ، که قارچ ها را خویشاوندان نزدیک تر به گیاهان می پنداشت تا به جانوران ، بهره گرفته شد . در سال 1993 ، در مجلۀ تکامل یافته اند .
102-Subunit
103-Molecular clocks
104-Illinois
105-Cloning
106-Polymearse chain reaction (PCR) درجۀ تشابه مدرکی است برای گستردگی خویشاوندی های مشترک . بررسی آنزیم سیتوکروم C ، نمونه ای مناسب از کاربرد روش مقایسه ای در تعیین الگوهای تکاملی به شمار می رود . سیتوکروم C جزیی از زنجیرۀ تنفسی میتو کندری است . سیتوکروم C ، همراه با پروتئین های دیگر چرخۀ اسید سیتریک و زنجیرۀ تنفسی در سلول های یوکاریوت ها یافت می شود . در انسان این پروتئین دارای ساختار اولیه ای شامل 104 اسید آمینه است . مقایسۀ موقعیت های اسید آمینه ای سیتوکروم C موجودات مختلف با انسان نشان می دهد که انسان و شمپانزه در تمامی موقعیت ها همانندند . انسان در 1 اسید آمینه از میمونِ رِسوس ، 18 اسید آمینه از جوجه ، 19 اسید آمینه از لاک پشت ، 20 اسید آمینه از مار زنگی و 56 اسید آمینه از ماهی تون تفاوت نشان می دهد . مقایسۀ چنین توالی هایی بیان گر آن است که هر چه تفاوت سیتوکروم C بین گونه ها بیش تر می شود ، از نظر تاکسونومی نیز فاصلۀ بیش تری پیدا می کنند . درخت های تبارزایی که بر مبنای مطالعۀ ستیوکروم C بنا نهاده شده اند با شواهد کالبد شناختی مقایسه ای و ذخایر فسیلی مطابقت دارند .
نقص تاریخچۀ فسیلی
برای تشکیل شدن فسیل به نحو مطلوب شرایطی مورد نیاز است . ارگانیسم باید در مکانی مناسب ( کم اکسیژن ) و دمای مناسب قرار گیرد . بیش تر موجودات در محیط های اکسیژن دار زندگی می کنند ، بنابراین گروه های زیادی از فسیل ها مجموعه ای از موجودات را تشکیل می دهند که به وسیلۀ باد یا آب به مناطق فاقد اکسیژن حمل شده اند . فسیل ، پس از احاطه شدن به وسیلۀ لایه ای صخره ای ، نباید در معرض فرایندهای زمین شناختی قرارگیرد ، چون امکان دارد که صخره ها توسط سایش و یا روی هم انباشته شدن چینه ها و ذوب شدن لایه ها تغییر شکل دهند . اگر فسیل کاملاً حفظ شود ، شانس بسیار کمی وجود دارد که به دست جویندگان فسیل بیفتد . ممکن است فسیل ناقصی کشف شود که به راحتی قابل شناسایی نباشد . بخش قابل توجهی از گونه ها ، فسیلی از خود به جای نگذاشته اند . اغلب فسیل ها یا تخریب شده اند و یا فقط مقداری از آن ها کشف شده است . اثر فسیلی کاملاً حفظ شده از یک ارگانیسم قطعاً متعلق به گونه ای مطلوب بوده که به مدت طولانی زندگی کرده ، فراوان بوده و صدف یا اسکلت سختی داشته است . از زمان داروین و حتی پس از آن که دانشمندان دریافتند که آرکئوپتریکس حد واسط بین خزندگان و پرندگان است ، هنوز شکاف های ناشناختۀ بسیاری در ذخایر فسیلی وجود دارند . امروزه ، ذخایر فسیلی کامل تر شده اند .
107-Rhesus
تر شده اند . به طوری که در مهره داران ، فسیل های یافت شده تمامی گروه های اصلی را به هم مرتبط می کنند و در این بین اشکالی که پستانداران را به خزندگان ارتباط می دهند ، به خوبی شناسایی شده اند . فسیل های مربوط به دسته ای از پستانداران دریایی انقراض یافته ، که وال ها را به چهار پایان سُم دار اجدادی مرتبط می کنند ، یکی از آخرین شکاف های با اهمیت را پر کرده اند .
سیستما تیک مولکولی
طی سال ها بررسی مقایسه ای پروتئین ها و اسیدها نوکلئیک ، این درشت مولکول ها به ابزارهای توانمندی برای مطالعۀ تکامل تبدیل شده اند . در برخی موارد که بقایای فسیلی گذشتۀ روشنی را از تبارزایی موجودات در اختیار قرار نمی دهند ، درشت مولکول های اطلاعاتی ما را قادر می سازند تا شکاف های تاریخ تکامل را پر کنیم .
اسیدهای نوکلئیک ( DNA , RNA ) و پروتئین ها ، مولکول های خطی هستند که به ترتیب از واحدهای نوکلئوتید و اسیدهای آمینه تشکیل شده اند . توالی زیر واحدها در برگیرندۀ اطلاعاتی هستند که نظیر آن ها در توالی حروف و علایم نقطه گذاری در یک جمله دیده می شود .
مقایسۀ دو درشت مولکول شمار واحدهای متفاوت موجود در هر یک از آن ها را مشخص می کند . شمار تفاوت ها معمولاً نشانه ای است که به وسیلۀ آن می توان فاصلۀ موجودات را تانیای مشترکشان تعیین کرد .
مثلاً ، دانشمندان به وسیلۀ تجزیۀ DNA و پروتئین موفق به تأیید نظریۀ قدیمی شدند مبنی بر این که سه پستاندار پاندای قرمز ، پاندای بزرگ و خرس قهوه ای بیش از 40 میلیون سال پیش از یک نیای مشترک اشتقاق یافته اند . نتایج آزمایش های دقیق بیانگر انشعابی است که زاده ها رخ داده است . یک شاخه احتمالاً راکون های جدید و پانداهای قرمز را ایجاد کرده است و از شاخۀ دیگر خرس ها به وجود آمده اند . چندی بعد ، یعنی بین 15 تا 20 میلیون سال پیش ، انشعابی از دودمان خرس ها ، اجداد پاندای بزرگ را در مسیر تکاملی واحدی قرار داده است . بدین سبب ، به نظر می رسد که پانداهای بزرگ نسبت به پانداهای قرمز ، خویشاوندی نزدیک تری با خرس ها داشته باشند . دانشمندان هم چنین با استفاده از دانسته های مولکولی توانسته اند حتی انواع بسیار متفاوتی از موجوداتی مانند مخمر ، کاج و انسان را مورد مقایسه دهند .
مقایسۀ پروتئین ها
در سطح مولکولی ، تبارزایی ( فیلوژنی ) را می توان در تفاوت های پروتئینی جستجو کرد . پروتئین ها را می توان اثر انگشت شیمیایی تاریخ تکامل نامید ، زیرا آن ها از توالی اسید های آمینه ای برخوردارند که خود دگرگونی هایی را در نتیجۀ تغییرات ژنتیکی کسب کرده اند . سازگاری زیاد در موقعیت های آمینو اسیدی دو پروتئین از دو گونۀ متفاوت نشان می دهد که ژن های وابسته به چنین پروتئین هایی از یک ژن مشترک سرچشمه گرفته اند و از یک نیای مشترک تکامل یافته اند . درجۀ تشابه مدرکی است برای گستردگی خویشاوندی های مشترک ، بررسی آنزیم سیتوکروم C ، نمونه ای مناسب از کاربرد روش مقایسه ای در تعیین الگوهای تکاملی به شمار می رود . سیتوکروم C جزیی از زنجیرۀ تنفسی میتو کندری است . سیتوکروم C ، همراه با پروتئین های دیگر چرخۀ اسید سیتریک و زنجیرۀ تنفسی در سلول های یوکاریوت ها یافت می شود .
در انسان ، این پروتئین دارای ساختار اولیه ای شامل 104 اسید آمینه است . مقایسۀ موقعیت های اسید آمینه ای سیتوکروم C موجودات مختلف با انسان نشان می دهد که انسان و شمپانزه در تمامی موقعیت ها همانندند . انسان در 1 اسید آمینه از میمونِ رِسوس ، 18 اسید آمینه از جوجه ، 19 اسید آمینه از لاک پشت ، 20 اسید آمینه از مار زنگی و 56 اسید آمینه از ماهی تون تفاوت نشان می دهد . مقایسۀ چنین توالی هایی بیانگر آن است که هر چه تفاوت سیتوکروم C بین گونه ها بیش تر می شود ، از نظر تاکوسونومی نیز فاصلۀ بیش تری پیدا می کنند . درخت های تبارزایی که برمبنای مطالعۀ سیتوکروم C بنا نهاده شده اند با شواهد کالبد شناختی مقایسه ای و ذخایر فسیلی مطابقت دارند .
مقایسۀ DNA
مقایسۀ ژن ها یا ژنوم دو گونه مستقیم ترین روش اندازه گیری وراثت مشترک از اجداد مشترک است . این مقایسه می تواند از سه طریق صورت پذیرد :
الف ـ توالی یابی DNA
ب ـ دورگه گیری DNA
ج ـ نقشۀ برش
الف ـ توالی یابی DNA
دقیق ترین و موثرترین روش برای مقایسۀ DNA ی دو گونۀ ، تعیین تمامی توالی های نوکلئوتیدی قطعات DNA است . در این روش ، پژوهشگران با استفاده از تکنیک های DNA ی
نوترکیب برای آماده سازی قطعات DNA از دو گونه ، توالی های نوکلئوتیدی قطعات DNA را تعیین می کنند . مقایسۀ این توالی ها دقیقاً بیانگر آن است که چه میزان واگرایی در تکامل دو ژن انشعاب یافته از ژن اجدادی مشترک صورت پذیرفته است . روش مشابه دیگر ، توالی یابی RNA ی ریبوزومی ) rRNA ( نام دارد . RRNA نوعی فراوردۀ ژنی است و در تمام موجودات یافت می شود. به دلیل این که ژن های rRNA تغییرات نسبتاً کندتری را نسبت به دیگر DNA ها نشان می دهند ، تفاوت های موجود در توالی های rRNA می توانند برای ردیابی برخی از انشعابات نخستین در درخت حیاتی مورد بهره برداری قرار گیرند . مقایسۀ توالی های rRNA به ویژه در سازماندهی ارتباط های فیلوژنتیکی بین باکتری ها بسیار سودمند است . در چند سال اخیر ، ابداع روش های جدید سیستماتیک مولکولی ، همانند روش واکنش زنجیره ای پلی مراز ) PCR ( ، برای گسترش دادن DNA به زیست شناسان مولکولی فرصت داد تا زنجیره های فرعی DNA را از روی باقیمانده های سنگواره ای ، بافت هایمومیایی شده یا پوست های خشک موجود در موزه ها تعیین کنند .
با آن که اشیا فقط دارای مقادیر ناچیزی از DNA هستند ( مولکول DNA از سنگواره هایی که عمر آن ها به 135 میلیون سال می رسد کشف و استخراج شده است ) به کمک روش PCR ، می توان از آن ها نسخه های زیادی به دست آورد و با DNA ی همتای جدید مقایسه کرد .
ب ـ دورگه گیری بین گونه ای
DNA ی موجود در کروموزوم های تمامی موجودات زنده دو رشته ای است که با پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل به هم متصل شده اند. دو رشتۀ DNA ممکن است به وسیلۀ گرما از هم جداشوند ، هنگامی که دما به اندازۀ کافی بالا رود ، پیوندهای هیدروژنی شکسته شده و دو رشته از هم گسیخته می شوند . میزان جدایی را می توان با مشاهدۀ جذب پرتو فرابنفش اندازه گیری کرد .DNAی تک رشته ای بیش تر باشد ، میزان جذب پرتو فرابنفش بالاتر خواهد رفت. حال فرض کنید که دو رشته DNA ی تک رشته ای در اختیار دارید که در آن ها تنها نصف بازها مکمل هستند . بازهای مکمل ، با آن که اندک اند ، باز هم دو رشته را چسبیده به هم نگاه می دارند ، ولی میزان پیوند های هیدروژنی تنها نصف مقدار معمولی خواهد بود . اگر این زنجیرۀ مارپیچ نیم دو تایی شده را گرما دهید ، متوجه می شوید که چون
109-Semidouble helix
پیوندهای هیدروژنی در این دو رشتۀ جدید کم تر شده اند ، یعنی ، نصف گردیده اند ، دمای کم تری برای جدا شدن آن ها لازم است . رشتۀ DNA در گونه هایی که از لحاظ تکاملی ارتباط نزدیکی دارند ، نسبت به گونه هایی با فاصلۀ تکاملی دور ، دارای توالی های نوکلئوتیدی مشابه تری هستند . در روشی که دورگه گیری DNA ـ DNA خوانده می شود ، DNA ی هر دو گونۀ متفاوت را گرما می دهند تا از هم جدا شوند و یا ، به عبارت دیگر ، ذوب شوند و به رشته های نوکلئوتیدی منفرد تبدیل گردند . پس از آن به رشته ها فرصت می دهند تا از طریق جفت شدن باز های مکمل ، دورگۀ ( هیبرید ) « مارپیچ دوگانه » را تشکیل دهند . سپس مارپیچ هیبرید شده را دوباره گرما می دهند و دمایی را که در آن دو رشته ذوب می شوند اندازه می گیرند . دمایی که برای جدا کردن دو رشتۀ DNA از گونه های مختلف مورد نیاز است بسیار کم تر از دمای مورد نیاز برای جدا کردن دو رشته از گونۀ مشابه خواهد بود . اصل بر این است که هر چه تشابه توالی های نوکلئوتیدی بیش تر باشد ، میزان پیوندهای هیدروژنی بین آن ها بیش تر خواهد بود و دمای مورد نیاز برای جفت شدن و ذوب شدن DNA ی هیبرید با دمای مورد نیاز برای DNA ی گونه ای واحد بسیار شبیه باشد ، دو گونه از لحاظ ژنتیکی بسیار شبیه اند و خویشاوندی بسیار نزدیکی دارند .
با استفاده از این گونه اطلاعات قادر خواهیم شد انشعابات درخت تکاملی را بر اساس دمای مورد نیاز برای جداسازی مارپیچ های هیبرید ترسیم کنیم . درخت های تکاملی طراحی شده به کمک این تکنیک معمولاً با فیلوژنی که از طریق دیگر روش ها ، همانند ریخت شناسی مقایسه ای ارائه می شوند ، مطابقت دارند .
110-Hybridization DNA ـ DNA
111-Hybrid
112-Doble helix
DNA مجدداً برای جدا شدن به تک رشته ها کرما داده می شود ؛ اندازه گیری دمای نقطۀ تفکیک
دورگه گیری DNA ـ DNA . هنگامی که DNA گرما داده می شود دو رشته به تدریج از هم جدا می شوند . سپس رشته DNA ی متعلق به ارگانیسم های متفاوت در کنار هم قرار می گیرند و سرد می شوند . پیوندهای هیدروژنی باعث پیوند مجدد مکمل های بین رشته ها می شود ، هنگامی که رشته های DNA ی دو گونه با چنین روشی دورگه سازی شدند ، میزان جور شدن آن ها نشان می دهد که گونه ها تا چه حد به یکدیگر وابسته اند . در مرحلۀ بعد ، رشته های دورگه گرما داده می شوند . دمای مورد نیاز برای جدا کردن این رشته ها ارتباطات تکاملی آن ها را متجلی می سازد . دارا بودن دماهای مشابه برای جدا شدن مؤید دارابودن نیای واحد مشترک است .
