المظاهر المضللة

قد تكون بعض الكائنات الحية شديدة القرابة، على الرغم من أن تغييرًا جينيًا طفيفًا تسبب في اختلاف مورفولوجي كبير جعلها تبدو مختلفة تمامًا. على سبيل المثال، الشمبانزي والبشر، التي تظهر جماجمهما في شكل 12.7، متشابهان جدًا وراثيًا، حيث يتشاركان في 99 بالمائة1 من جيناتهما. ومع ذلك، يظهر الشمبانزي والبشر اختلافات تشريحية كبيرة، بما في ذلك درجة بروز الفك في البالغين والأطوال النسبية لأذرعنا وأرجلنا.

شكل 12.7 (أ) يبرز فك الشمبانزي بدرجة أكبر بكثير من (ب) فك الإنسان. (مصدر الصورة أ: تعديل لعمل "باستوريوس"/ويكيميديا كومنز)

ومع ذلك، قد تكون الكائنات الحية غير ذات الصلة بعيدة القرابة ولكنها تبدو متشابهة جدًا، وعادة ما يكون ذلك بسبب تطور تكيفات مشتركة لظروف بيئية مماثلة في كليهما. ومن الأمثلة على ذلك الأشكال الانسيابية للجسم، وأشكال الزعانف والزوائد، وشكل الذيل في الأسماك والحيتان، وهي من الثدييات. تحمل هذه التراكيب تشابهًا سطحيًا لأنها تكيفات للحركة والمناورة في نفس البيئة - الماء. عندما تحدث خاصية متشابهة عن طريق التقارب التكيفي (التطور المتقارب)، وليس بسبب علاقة تطورية وثيقة، فإنها تسمى تركيبًا متناظرًا (analogous structure). في مثال آخر، تستخدم الحشرات الأجنحة للطيران مثل الخفافيش والطيور. نسميها أجنحة لأنها تؤدي نفس الوظيفة ولها شكل سطحي متشابه، لكن الأصل الجنيني للجناحين مختلف تمامًا. إن الاختلاف في تطور الأجنحة، أو التكوين الجنيني، في كل حالة هو إشارة إلى أن الحشرات والخفافيش أو الطيور لا تتشاركان في سلف مشترك كان لديه جناح. تطورت تراكيب الأجنحة، الموضحة في شكل 12.8، بشكل مستقل في السلالتين.

يمكن أن تكون الصفات المتشابهة إما متماثلة أو تماثلية. تتشارك الصفات المتماثلة في مسار تطوري أدى إلى تطور تلك الصفة، بينما لا تتشارك الصفات التماثلية. يجب على العلماء تحديد نوع التشابه الذي تظهره السمة لفك شفرة النشوء والتطور للكائنات الحية قيد الدراسة.

شكل 12.8 جناح نحلة العسل مشابه في الشكل لجناح الطائر وجناح الخفاش ويؤدي نفس الوظيفة (الطيران). جناحا الطائر والخفاش هما تركيبان متماثلان. ومع ذلك، فإن جناح نحلة العسل له تركيب مختلف (فهو مصنوع من هيكل خارجي كيتيني، وليس هيكل داخلي عظمي) وأصل جنيني مختلف. توضح أنواع أجنحة النحل والطيور أو الخفافيش تماثلاً - تراكيب متشابهة لا تتشارك في تاريخ تطوري. (مصدر الصورة أ: تعديل لعمل مكتب إدارة الأراضي الأمريكي؛ مصدر الصورة ب: تعديل لعمل ستيف هيلبراند، خدمة الأسماك والحياة البرية الأمريكية؛ مصدر الصورة ج: تعديل لعمل جون سوليفان)

المقارنات الجزيئية

مع تقدم تقنية الحمض النووي (DNA)، ازدهر مجال علم التصنيف الجزيئي (molecular systematics)، الذي يصف استخدام المعلومات على المستوى الجزيئي بما في ذلك تسلسل الحمض النووي (DNA). لا يؤكد التحليل الجديد للسمات الجزيئية العديد من التصنيفات السابقة فحسب، بل يكشف أيضًا عن الأخطاء التي ارتكبت سابقًا. يمكن أن تشمل السمات الجزيئية اختلافات في تسلسل الأحماض الأمينية لبروتين، أو اختلافات في تسلسل النيوكليوتيدات الفردية لجين، أو اختلافات في ترتيب الجينات. تفترض أشجار النشوء والتطور القائمة على السمات الجزيئية أنه كلما كانت التسلسلات متشابهة في كائنين، زادت قرابتهما. تتغير الجينات المختلفة تطوريًا بمعدلات مختلفة، وهذا يؤثر على المستوى الذي تكون فيه مفيدة في تحديد العلاقات. التسلسلات سريعة التطور مفيدة لتحديد العلاقات بين الأنواع وثيقة الصلة. التسلسلات بطيئة التطور أكثر فائدة لتحديد العلاقات بين الأنواع بعيدة الصلة. لتحديد العلاقات بين أنواع مختلفة جدًا مثل حقيقيات النواة (Eukarya) والعتائق (Archaea)، يجب أن تكون الجينات المستخدمة قديمة جدًا، وتتطور ببطء، وموجودة في كلتا المجموعتين، مثل جينات الحمض النووي الريبي الريبوسومي (rRNA). تساعد مقارنة أشجار النشوء والتطور باستخدام تسلسلات مختلفة وإيجادها متشابهة في بناء الثقة في العلاقات المستنتجة.

أحيانًا تتشارك قطعتان من الحمض النووي (DNA) في كائنات حية بعيدة القرابة بشكل عشوائي في نسبة عالية من القواعد في نفس المواقع، مما يجعل هذه الكائنات تبدو وثيقة الصلة بينما هي ليست كذلك. على سبيل المثال، تتشارك ذبابة الفاكهة في 60 بالمائة من حمضها النووي (DNA) مع البشر.2 في هذه الحالة، تم تطوير خوارزميات إحصائية قائمة على الكمبيوتر للمساعدة في تحديد العلاقات الفعلية، وفي النهاية، يكون الاستخدام المزدوج للمعلومات المورفولوجية والجزيئية أكثر فعالية في تحديد النشوء والتطور.

الخصائص المشتركة

يعتمد التصنيف التفرعي على ثلاثة افتراضات. الأول هو أن الكائنات الحية مرتبطة بالانحدار من سلف مشترك، وهو افتراض عام للتطور. الثاني هو أن الانتواع يحدث بانقسام نوع واحد إلى نوعين، وليس أكثر من نوعين في كل مرة، وفي نقطة زمنية واحدة أساسًا. هذا مثير للجدل إلى حد ما، ولكنه مقبول لمعظم علماء الأحياء كتبسيط. الافتراض الثالث هو أن الصفات تتغير بما يكفي بمرور الوقت لاعتبارها في حالة مختلفة. ويُفترض أيضًا أنه يمكن تحديد الاتجاه الفعلي للتغيير في حالة ما. بعبارة أخرى، نفترض أن البيضة السلوية هي حالة صفة لاحقة للبيض غير السلوي. وهذا ما يسمى قطبية تغير الصفة. نعرف ذلك بالرجوع إلى مجموعة خارج الفرع الحيوي: على سبيل المثال، الحشرات لديها بيض غير سلوي؛ وبالتالي، هذه هي حالة الصفة الأقدم أو السلفية. يقارن التصنيف التفرعي المجموعات الداخلية والخارجية. المجموعة الداخلية (السحلية والأرنب والإنسان في مثالنا) هي مجموعة الأصنوفات التي يتم تحليلها. المجموعة الخارجية (السهيم والجلكي والأسماك في مثالنا) هي نوع أو مجموعة من الأنواع التي تباعدت قبل السلالة التي تحتوي على المجموعة (المجموعات) محل الاهتمام. بمقارنة أعضاء المجموعة الداخلية ببعضهم البعض وبأعضاء المجموعة الخارجية، يمكننا تحديد الخصائص التي تمثل تعديلات تطورية تحدد نقاط التفرع في شجرة النشوء والتطور للمجموعة الداخلية.

إذا وجدت خاصية في جميع أعضاء المجموعة، فهي صفة سلفية مشتركة (shared ancestral character) لأنه لم يحدث أي تغيير في هذه الصفة أثناء انحدار كل فرد من أفراد الفرع الحيوي. على الرغم من أن هذه الصفات تبدو مثيرة للاهتمام لأنها توحد الفرع الحيوي، إلا أنها في التصنيف التفرعي لا تعتبر مفيدة عندما نحاول تحديد العلاقات بين أعضاء الفرع الحيوي لأن الصفة موجودة لدى جميع الأعضاء. على النقيض من ذلك، لننظر إلى خاصية البيضة السلوية في شكل 12.9. بعض الكائنات الحية فقط تمتلك هذه الصفة، وبالنسبة لتلك التي تمتلكها، تسمى صفة مشتقة مشتركة (shared derived character) لأن هذه الصفة تغيرت في مرحلة ما أثناء الانحدار. هذه الصفة تخبرنا عن العلاقات بين أعضاء الفرع الحيوي؛ فهي تخبرنا أن السحالي والأرانب والبشر يتجمعون معًا بشكل أوثق من أي من هذه الكائنات مع الأسماك والجلكيات والسهيم.

من الجوانب التي قد تسبب الارتباك أحيانًا في مصطلحات "الخصائص السلفية" و"الخصائص المشتقة" هو أن هذه المصطلحات نسبية. يمكن أن تكون نفس الصفة إما سلفية أو مشتقة اعتمادًا على الرسم البياني المستخدم والكائنات الحية التي تتم مقارنتها. يجد العلماء هذه المصطلحات مفيدة عند التمييز بين الفروع الحيوية أثناء بناء أشجار النشوء والتطور، ولكن من المهم تذكر أن معناها يعتمد على السياق.

اختيار العلاقات الصحيحة

يعد بناء شجرة النشوء والتطور، أو الكلادوجرام، من بيانات الصفات مهمة ضخمة تُترك عادةً للكمبيوتر. يرسم الكمبيوتر شجرة بحيث تتشارك جميع الفروع الحيوية في نفس قائمة الصفات المشتقة. ولكن هناك قرارات أخرى يجب اتخاذها، على سبيل المثال، ماذا لو كان وجود نوع ما في فرع حيوي مدعومًا بجميع الصفات المشتقة المشتركة لهذا الفرع الحيوي باستثناء واحدة؟ أحد الاستنتاجات هو أن الصفة تطورت في السلف، ولكنها تغيرت مرة أخرى في ذلك النوع الواحد. كما يجب افتراض أن حالة الصفة التي تظهر في فرعين حيويين قد تطورت بشكل مستقل في تلك الفروع الحيوية. هذه التناقضات شائعة في الأشجار المرسومة من بيانات الصفات وتُعقد عملية اتخاذ القرار بشأن الشجرة التي تمثل العلاقات الحقيقية بين الأصنوفات بشكل أوثق.

للمساعدة في المهمة الهائلة المتمثلة في اختيار أفضل شجرة، غالبًا ما يستخدم العلماء مفهومًا يسمى أقصى اقتصاد (maximum parsimony)، مما يعني أن الأحداث وقعت بأبسط طريقة وأكثرها وضوحًا. هذا يعني أن "أفضل" شجرة هي تلك التي تحتوي على أقل عدد من انعكاسات الصفات، وأقل عدد من التغيرات المستقلة في الصفات، وأقل عدد من التغيرات في الصفات عبر الشجرة بأكملها. تبحث برامج الكمبيوتر في جميع الأشجار الممكنة للعثور على العدد الصغير من الأشجار ذات المسارات التطورية الأبسط. بدءًا من جميع الصفات المتماثلة في مجموعة من الكائنات الحية، يمكن للعلماء تحديد ترتيب الأحداث التطورية التي حدثت فيها تلك الصفات والتي تكون الأكثر وضوحًا وبساطة.

هذه الأدوات والمفاهيم ليست سوى عدد قليل من الاستراتيجيات التي يستخدمها العلماء لمعالجة مهمة الكشف عن التاريخ التطوري للحياة على الأرض. في الآونة الأخيرة، كشفت التقنيات الأحدث عن اكتشافات مفاجئة بعلاقات غير متوقعة، مثل حقيقة أن البشر يبدو أنهم أكثر ارتباطًا بالفطريات مما هي الفطريات بالنباتات. هل يبدو هذا غير معقول؟ مع تزايد المعلومات حول تسلسلات الحمض النووي (DNA)، سيقترب العلماء أكثر من رسم خريطة للتاريخ التطوري لجميع أشكال الحياة على الأرض.