系统学介绍

按人为标准,6亿年是长期长的。我们的人类物种少于200万岁,鸟类和哺乳动物已经存在不超过2亿年,恐龙首次出现了2.3亿年前,最原始的土地植物大约4.25亿年前。但是为了观察第一个节肢动物,(场节肢动物),我们必须及时回归 - 近600万年前(寒武纪古生代时代)当细菌和海藻是植物寿命的主导形式时,小型无脊椎动物在温暖,浅海洋中占有丰富,陆地群体仍然很大程度上没有生命。

似乎令人难以置信,我们甚至可以想到学习这么久以前发生的事件。但生物学家和古生物学家拥有广泛的工具和技术,使他们能够探讨今天的世界,以便照亮我们遥远过去的事件的线索。这些线索形成了一种不断增长的数据拼凑,已经开始合并到节肢动物发育树的粗糙轮廓中。虽然我们大多数关于进化开始的假设都是暂定和争议的,但它们提供了一个有价值的框架,用于研究所有幸存的分类群中的相似性,差异和关系。我们对每个系统发育组的理解是通过学习通过过去的选择性压力的形状以及其与现在的最近亲属的形状而形成的。

工具和技巧

古生物学(研究史前生命形式)和系统学原理(根据结构和进化关系对生物体进行分类)是系统发生研究的传统基础。这两种努力都基于两个重要的假设:

  1. 所有形式的生命都享有类似的基于DNA的遗传系统,
  2. 在整个进化时间内,自然选择的过程几乎保持不变。

化石记录

化石记录是系统发育研究的卓越数据库。史前节肢动物通常小而细腻。他们没有保持牙齿,骨骼或壳的更大的动物,但与其他软体无脊椎动物更加丰富,因为它们的刚性外骨骼保持其形状,并且死亡后没有迅速衰减。化石节肢动物可以在沉积岩层和煤炭,页岩或火山灰的沉积物中找到。含有节肢动物的良好化石床相对稀缺,因此化石记录往往是斑驳的。只有单一标本,许多物种都是众所周知的,而其他物种则被识别为今天仍然存在的物种。

昆虫化石也可以在琥珀中发现,琥珀是史前树木的石化树脂(树液)。一旦被黏稠的树脂缠住,捕获的昆虫就会随着黏稠的汁液逐渐硬化成玻璃般的稠度而被完整地保存下来。在北欧(波罗的海沿岸)、亚洲(如缅甸和西伯利亚)和北美(加拿大、阿拉斯加、墨西哥和多米尼加共和国),人们发现了琥珀沉积物,其中包含了从白垩纪早期到近代的昆虫。

直到最近,科学家们被迫几乎完全依靠自己对化石记录的解释来重建系统发育关系。许多生物体之间结构上的相似性被认为是同源(亲属)的证据,而许多不同之处则意味着不相关。问题的出现往往是因为解释的差异、中间形式的缺失、专业化适应的丧失(退回到更原始的条件),以及在不相关的群体中发展出相似的特征(趋同进化)。经典的分类学家总是被大量的数据和过程的主观性所限制。

然而,在过去的三十年里,化学,物理和计算机科学的激动人心的发展已经给出了进化的生物学家许多强大的新工具,这些工具提供了更多关于化石的更精确和客观的信息,以及他们与现存生命形式的关系。

同位素年龄测定

化石的大致年龄是评估它可能适应其亲属家谱的重要信息。传统上的化石已经被它们发生的岩层所日期。通过测量放射性同位素(例如碳-14)的浓度或通过确定放射性物质(铀-335,钍-232或钾-40)之间的比例来推断出这些层的相对准确的这些地层。及其自发性腐烂产品。植物和动物在它们活着的同时,仅在气氛中同化碳-14,因此通过测量碳-14尚未腐蚀到氮气14,可以确定化石的近似年龄。碳约会只能可靠,仅在足以保留可测量的碳-14(小于50,000岁)的标本中可靠。

可以通过测量不稳定同位素(如铀235、钍232或钾40)与其稳定衰变产物(分别为铅207、铅208或氩40)之间的比值来确定具有痕量放射性的较老岩层的年代。这些同位素的半衰期非常长(从7.13亿到140亿年),这使得它们有可能对年龄从10万年到史前生命开始之前的样本进行年代测定。

数值分类法

数字计算机技术提供了一种新的和高度客观的方法来评估分类群之间的相似性和差异。统计技术,例如主成分分析,聚类分析,因子分析,多维缩放和判别分析可以有条不紊地应用于含有关于兴趣分类群的形态,行为或生物化学信息的大数据集。这些统计方法允许分类师量化生物组中的总体相似度。更多关于
系统发育树
计算可以采用“基元”和“高级”字符状态(苯特派)或依赖于“高级”特征(界面方法)。在任何一种情况下,所得的“系统发育树”,各种称为诸如现实图,划线或树枝图,旨在作为感知生物亲和力的视觉表示。他们可能(或可能不会)描绘了真正的进化关系。

生物化学

酶和代谢途径可以揭示营养物质处理、化学防御、运动、细胞间和细胞内通信或稳态机制的固有模式。在一个进化谱系中,这些基本生命过程的相似性和/或差异性往往是一致的。一种新的生化突变的突然出现可能会带来选择性优势,并最终导致来自共同祖先的新物种的适应性辐射。

核苷酸测序

DNA(和核糖体RNA)核苷酸测序的自动化方法为研究过去打开了一扇新的窗口。我们发现,两个生物体之间的进化“距离”可以从DNA(或RNA)相应区域的碱基对序列变化的数量和频率来推断。假设在整个地质历史中突变率是相对恒定的,就有可能估计出从一个共同祖先分化出来的任何两个群体已经有多长时间了。最近,生物学家甚至已经从化石中提取并测序了DNA。这项惊人的壮举是通过分离保存在琥珀中的昆虫(白蚁和无刺蜜蜂)的DNA片段完成的。化石DNA是用聚合酶链反应(PCR)克隆(复制)的,聚合酶链反应是一种能大量复制相同DNA分子的酶法。当制造出足够多的史前DNA后,对其进行测序,并与现存昆虫亲属的相似片段进行比较。如果这些技术被证明适用于广泛保存的标本,它们将使我们能够研究灭绝生物的基因组成,并彻底改变我们探索今天的节肢动物与其早已灭绝的祖先之间关系的能力。

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