1. Tyrinėjimas. Evoliuciniai ryšiai ir bendras protėvis

1.1 Kas yra gyvybės medis?

Gyvybės medis yra mokslinis modelis, atspindintis organizmų evoliucinius ryšius. Vietoj to, kad rūšis būtų suskirstytos į „labiau“ ar „mažiau“ išsivysčiusias, jis parodo, kaip visi gyvi organizmai yra susiję per bendrus protėvius. Kiekviena šaka atspindi evoliucinius pokyčius laikui bėgant.

1.2 Kas yra filogenija?

Filogenija – tai organizmų evoliucinių ryšių ir skirtingų rūšių sąsajų per bendrą protėvį tyrimas. Mokslininkai naudoja filogeniją, kad nustatytų, kaip artimai susiję organizmai, lygindami bendras savybes, pavyzdžiui, anatomines ypatybes, vystymosi modelius ir genetinę informaciją. Rūšys, kurios turi daugiau bendrų bruožų, paveldėtų iš bendro protėvio, laikomos artimiau susijusiomis.

Filogenetiniai medžiai yra vizualūs modeliai, atspindintys šiuos ryšius. Tai nėra fiksuoti diagramos, bet mokslinės hipotezės, pagrįstos geriausiais tuo metu turimais įrodymais. Atsiradus naujiems duomenims, pavyzdžiui, atradus fosilijas ar pažengus DNR analizės srityje, filogenetiniai medžiai gali būti peržiūrimi ir tobulinami. Tai daro filogenetiką dinamiška ir įrodymais pagrįsta sritimi, atspindinčia, kaip mokslinis supratimas vystosi laikui bėgant.

Filogenetikos supratimas padeda mokslininkams paaiškinti biologinę įvairovę, atsekti rūšių kilmę ir nustatyti evoliucijos modelius. Ji taip pat moko svarbaus mokslinio principo: biologinės žinios yra kaupiama lyginant, remiantis įrodymais ir nuolat tobulinant, o ne remiantis absoliučiais ar nekintamais atsakymais.

Toliau pateikiami filogenetikos pavyzdžiai:

1. Amniotų gyvybės medis, apimantis roplius, paukščius ir žinduolius. Visos šios stuburinių klasės išsivystė iš tos pačios protėvinės formos roplių, esančių medžio apačioje (Šaltinis: https://www.researchgate.net/figure/Tree-of-life-of-amniotes-that-includes-reptiles-birds-and-mammals-All-these-classes-of_fig2_323780429) 
   
2. Gyvybės medis Žmogaus evoliucija Biologija Rūšių klasifikacija. Visų gyvų būtybių gyvybės medis. Biologijos mokslo filogenetinis medis su kamieninėmis eilėmis/poeilėmis ir šakomis, susijusiomis su gyvybės formomis. Klasifikacija nuo paprastų organizmų iki šiuolaikinių žmonių. (Šaltinis: https://www.dreamstime.com/tree-life-human-evolution-biology-species-classification-tree-life-all-living-beings-phylogenetic-tree-biological-image131543711)
    
3. Hominidų, gyvų beždžionių ir žmonių filogenetinė istorija (Šaltinis: https://www.researchgate.net/figure/Phylogenetic-history-of-the-Hominidaedliving-apes-and-people-Dates-are-based-on-genomic_fig1_317314464)
   

1.3 Įrodymai, naudojami filogenetinių medžių sudarymui

Filogenetiniai ryšiai atkuriami naudojant įvairių tipų įrodymus, įskaitant:

• morfologinius požymius (kūno struktūrą ir formą),
• fosilijų įrašus,
• genetinius ir molekulinius duomenis,
• vystymosi ir elgesio charakteristikas.

Norėdami geriau suprasti, kaip šie skirtingi duomenų šaltiniai yra sujungiami, mokiniai gali peržiūrėti trumpą mokomąjį vaizdo įrašą (žr. žemiau), kuriame vaizdžiai paaiškinama, kaip mokslininkai sudaro filogenetinius medžius naudodami realius įrodymus. Šis multimedijos šaltinis padeda paaiškinti abstrakčias sąvokas ir parengia mokinius praktiniam evoliucinių ryšių konstravimui vykdymo etape.

Derindami šiuos duomenų šaltinius, mokslininkai gali kurti tikslesnius ir patikimesnius evoliucijos modelius.

Stebėję, kaip mokslininkai naudoja įrodymus filogenetinių medžių sudarymui, mokiniai taiko tuos pačius principus, analizuodami požymius ir kurdami savo evoliucijos modelius, naudodami papildytą realybę.  

1.4 Homologinės ir analoginės savybės

Ne visi organizmų panašumai rodo artimus evoliucinius ryšius. Kai kurie bruožai gali atrodyti panašūs iš pirmo žvilgsnio, bet turėti labai skirtingą evoliucinę kilmę. Dėl šios priežasties mokslininkai, kurdami filogenetinius medžius, skiria homologinius ir analoginius bruožus.

Homologinės savybės yra paveldėtos iš bendro protėvio, net jei šiandien jos atlieka skirtingas funkcijas. Pavyzdžiui, žmonių, šikšnosparnių ir banginių priekinės galūnės turi skirtingą formą ir paskirtį, tačiau jų kaulų struktūra yra vienoda. Šie panašumai yra tvirtas bendros kilmės įrodymas, todėl yra labai vertingi atkuriant evoliucinius ryšius.

Analoginiai požymiai, kita vertus, atlieka panašias funkcijas, bet evoliucionavo nepriklausomai skirtingose evoliucinėse linijose. Pavyzdžiui, paukščių ir vabzdžių sparnai leidžia skristi, bet jie išsivystė iš skirtingų protėvių struktūrų. Analoginiai požymiai dažnai atsiranda dėl panašių aplinkos veiksnių, o ne dėl artimų genetinių ryšių.

Homologinių ir analoginių bruožų skirtumo supratimas yra būtinas norint teisingai interpretuoti filogenetinius medžius. Analoginių bruožų painiojimas su homologiniais gali lemti neteisingas išvadas apie giminystės ryšius. Atidžiai analizuodami, kurie bruožai atspindi bendrą protėvį, mokslininkai gali sukurti tikslesnius evoliucijos modelius ir geriau suprasti, kaip skirtingos gyvybės formos yra susijusios.

1.5 Kaip skaityti filogenetinį medį

Filogenetiniai medžiai rodo evoliucinius ryšius per šakojimosi modelius, kurie atspindi, kaip rūšys laikui bėgant išsiskyrė nuo bendrų protėvių. Kiekvienas šakojimosi taškas, arba mazgas, atspindi bendrą protėvį, kurį turi iš jo išsišakoję organizmai. Rūšys, kurios turi bendrą protėvį, gyvenusį vėliau, laikomos artimesnėmis nei tos, kurių bendras protėvis gyveno anksčiau.

Šakų ilgis ar padėtis nereiškia, kad vienas organizmas yra labiau išsivystęs ar „geriau evoliucionavęs“ nei kitas. Šakos atspindi evoliucinės divergencijos modelius ir bendrą istoriją. Visos gyvos rūšys šakų galuose evoliucionavo vienodą laiką.

Filogenetiniai medžiai gali būti pateikiami įvairiais formatais – horizontaliais, vertikaliais arba radialiais – nekeičiant pagrindinių santykių. Šakų pasukimas ar pertvarkymas nekeičia medžio evoliucinės reikšmės, jei šakojimosi tvarka lieka ta pati. Supratimas, kaip teisingai skaityti šiuos medžius, yra būtinas norint interpretuoti evoliucinius santykius ir kurti tikslius filogenetinius modelius.

Toliau pateikiami filogenetinių medžių pavyzdžiai, iliustruojantys, kaip evoliuciniai santykiai vaizduojami skirtingose organizmų grupėse:

1. 1 pavyzdys: Kurios rūšys yra artimesnės?
   (Šaltinis: https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/natural-selection/phylogeny/a/building-an-evolutionary-tree; 
   https://www.istockphoto.com/vector/biological-evolution-animals-scheme-gm500509454-80808691;
   https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/natural-selection/phylogeny/a/phylogenetic-trees) 
   Šiame filogenetiniame medyje rūšys A ir B turi bendrą protėvį, kuris yra naujesnis nei rūšies C protėvis. Tai reiškia, kad A ir B yra artimiau susijusios viena su kita, net jei rūšis C gali atrodyti panaši arba gyventi panašioje aplinkoje.
   Artimumas nustatomas pagal bendrus protėvius, o ne pagal išvaizdą ar padėtį puslapyje.
2. Tos pačios giminystės, skirtingos medžio formos
   

   

   (Šaltinis: https://www.researchgate.net/figure/The-different-parts-of-a-rooted-phylogenetic-tree-showing-the-root-branches-nodes-and_fig1_43022487 ;
   https://yulab-smu.top/treedata-book/chapter4.html; https://users.ugent.be/~avierstr/principles/phylogeny.html )
   Šie medžiai atrodo skirtingai (horizontalūs, vertikalūs arba radialiniai), bet jie atspindi tuos pačius evoliucinius ryšius . Šakų pasukimas arba išdėstymas nekeičia medžio reikšmės, kol šakojimosi tvarka lieka nepakitusi.
   Medžio forma nekeičia evoliucinių ryšių.
3. Klaidinga nuomonė – evoliucija nėra kopėčios
   
   (Šaltinis: https://www.researchgate.net/figure/Tree-format-translations-for-the-ladders-shown-in-Figs-1a-b-along-with-the-associated_fig3_226685940)

Šis palyginimas parodo dažną klaidingą supratimą. Evoliucija dažnai neteisingai vaizduojama kaip kopėčios ar linijinis progresas. Iš tiesų evoliucija vyksta šakojantis, kai iš bendrų protėvių vienu metu vystosi kelios linijos.

Visos rūšys, esančios medžio viršūnėse, yra vienodai išsivysčiusios.

1.6 Kodėl filogenetiniai medžiai yra svarbūs

Filogenetiniai medžiai padeda mokslininkams:

• suprasti biologinę įvairovę ir evoliuciją,
• atsekti ligų kilmę,
• remti gamtos apsaugos pastangas,
• įkvėpti biologijos įkvėptus sprendimus mokslo ir technologijų srityse.