Φυλογένεση: Από Πού Αντλούμε Στοιχεία
Φυλογενετικό δέντρο, Παλαιοντολογία, ομόλογα, ανάλογα και υπολειμματικά όργανα, Εμβρυολογία, Μοριακή Βιολογία
Το χέρι σου, το φτερό μιας νυχτερίδας, το πτερύγιο μιας φώκιας και το πόδι ενός αλόγου έχουν την ίδια σειρά οστών. Μια φάλαινα κρύβει στην κοιλιά της μικροσκοπικά οστά λεκάνης, χωρίς πόδια. Και το κυτόχρωμά σου διαφέρει από του χιμπαντζή σε ένα μόνο αμινοξύ. Είναι «αποτυπώματα» μιας κοινής ιστορίας — σαν στοιχεία σε έναν αστυνομικό γρίφο.
Φυλογενετικό δέντρο
Η δημιουργία νέων ειδών από ένα προγενέστερο μοιάζει με την απόσχιση κλαδιών από την ίδια κορυφή δέντρου. Στο φυλογενετικό δέντρο ο κορμός παριστάνει το αρχικό είδος και τα κλαδιά τα νέα είδη· απεικονίζει τα στάδια από τα οποία πέρασαν οι ενήλικες μορφές των ειδών.
Οι πληροφορίες προέρχονται από πηγές διαθέσιμες ήδη από την εποχή του Δαρβίνου (απολιθώματα, συγκριτική ανατομία, εμβρυολογία) και από νεότερες (Βιοχημεία, Μοριακή Βιολογία), που συνδυάζονται σαν κομμάτια παζλ.
1. Δεδομένα από την Παλαιοντολογία
Η Παλαιοντολογία μελετά τα απολιθώματα, υπολείμματα οργανισμών του μακρινού παρελθόντος — συνήθως σκληρά μέρη (δόντια, εξωσκελετός, οστά), όπου οι οργανικές ουσίες αντικαταστάθηκαν από ανόργανες. «Απολίθωμα» είναι κάθε ίχνος ζωής του παρελθόντος (αποτυπώματα σε βράχους, έντομα παγιδευμένα σε ρητίνη/κεχριμπάρι). Μαρτυρούν ότι η ζωή εξελίχθηκε σε μεγάλα χρονικά διαστήματα από απλές σε πιο περίπλοκες μορφές.
- Χρονολόγηση: τότε από τη θέση των στρωμάτων (τα κατώτερα είναι συνήθως τα αρχαιότερα)· σήμερα με ραδιοχρονολόγηση (βαθμός διάσπασης ραδιενεργών στοιχείων).
- Από απολιθώματα προγόνων μας: σχήμα λεκάνης, μήκος άκρων, αποτυπώματα πέλματος → δίποδη ή τετράποδη βάδιση· κρανιακή χωρητικότητα, εργαλεία → νοημοσύνη· δόντια, ίχνη φωτιάς, οστά ζώων → διατροφή· γύρη → κλίμα.
- Το αρχείο απολιθωμάτων δεν είναι πλήρες: η απολίθωση και η ανακάλυψη είναι τυχαίες, δεν απολιθώθηκαν όσοι δεν είχαν σκληρά μέρη, και πολλά καταστράφηκαν (σεισμοί, ηφαίστεια). Το δέντρο είναι ένα παζλ με κομμάτια που λείπουν.
2. Δεδομένα από την Ανατομία
- Ομόλογα όργανα: ίδια φυλογενετική προέλευση, όμοια κατασκευή, αλλά διαφορετική λειτουργία — τα άνω άκρα των σπονδυλωτών (φτερό νυχτερίδας, πτερύγιο φώκιας, πόδι βατράχου ή αλόγου) έχουν την ίδια βασική σειρά οστών.
- Ανάλογα όργανα: παρόμοια λειτουργία αλλά διαφορετική εμβρυϊκή προέλευση — οι επιφάνειες πτήσης πουλιού (φτερά), νυχτερίδας (δέρμα) και πεταλούδας (υμένας του εξωσκελετού).
- Υπολειμματικά όργανα: όργανα χωρίς εμφανή λειτουργία (π.χ. οστά λεκάνης και κάτω άκρων στη φάλαινα), ενδείξεις κοινής καταγωγής (η φάλαινα προήλθε από τετράποδα θηλαστικά).
3. Δεδομένα από την Εμβρυολογία
Τα έμβρυα των σπονδυλωτών παρουσιάζουν εκπληκτικές ομοιότητες στα αρχικά στάδια· π.χ. όλα έχουν βραγχιακές σχισμές, που υποδηλώνουν προέλευση από κοινό υδρόβιο οργανισμό.
4. Δεδομένα από τη Μοριακή Βιολογία
Όλοι οι οργανισμοί έχουν νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες και ο γενετικός κώδικας είναι παγκόσμιος — απίθανο να εξελίχθηκε ανεξάρτητα σε κάθε είδος, άρα κοινή προέλευση. Όσο λιγότερο συγγενικοί δύο οργανισμοί, τόσο περισσότερες διαφορές στην αλληλουχία του DNA τους (και στις πρωτεΐνες τους). Το κυτόχρωμα του ανθρώπου διαφέρει από του χιμπαντζή κατά 1 αμινοξύ, του σκύλου κατά 11, της μαγιάς κατά 45. Τα συμπεράσματα βγαίνουν από τη σύγκριση πολλών πρωτεϊνών. Για τον γενετικό κώδικα θα μάθεις περισσότερα στη Γ΄ Λυκείου.
Το φτερό της νυχτερίδας και το πτερύγιο της φώκιας είναι:
«Ομόλογα = Όμοια οστά (ίδια καταγωγή), διαφορετική δουλειά». «Ανάλογα = Ανάλογη δουλειά, διαφορετική καταγωγή». Υπολειμματικά = «απομεινάρια» μιας παλιάς λειτουργίας.
Τι δείχνει το ότι το κυτόχρωμα του ανθρώπου διαφέρει από του χιμπαντζή κατά 1 αμινοξύ και από της μαγιάς κατά 45;
Μέθοδος: ποιο «στοιχείο» εξέλιξης είναι;
- Αφορά υπολείμματα ή ίχνη του παρελθόντος; → Παλαιοντολογία (απολιθώματα).
- Αφορά σύγκριση κατασκευής οργάνων ενήλικων οργανισμών; → Ανατομία: ίδια καταγωγή–άλλη λειτουργία = ομόλογα· ίδια λειτουργία–άλλη καταγωγή = ανάλογα· χωρίς λειτουργία = υπολειμματικά.
- Αφορά έμβρυα; → Εμβρυολογία.
- Αφορά DNA, πρωτεΐνες, γενετικό κώδικα; → Μοριακή Βιολογία: λιγότερες διαφορές = πιο συγγενικοί.
Άσκηση: Να κατατάξεις ως ομόλογα, ανάλογα ή υπολειμματικά: (α) χέρι ανθρώπου – πόδι αλόγου, (β) φτερό πουλιού – φτερό πεταλούδας, (γ) οστά λεκάνης φάλαινας.
Λύση:
(α) Ομόλογα: ίδια βασική σειρά οστών, διαφορετική λειτουργία.
(β) Ανάλογα: ίδια λειτουργία (πτήση), διαφορετική προέλευση (φτερά από δέρμα πουλιού – υμένας εξωσκελετού).
(γ) Υπολειμματικά: χωρίς εμφανή λειτουργία, ένδειξη καταγωγής από τετράποδα θηλαστικά.
Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: (α) Ποιες πληροφορίες μπορούν να αντληθούν από τη μελέτη απολιθωμάτων προγονικών μορφών του ανθρώπου; (β) Γιατί το φυλογενετικό δέντρο παρομοιάζεται με παζλ από το οποίο λείπουν κομμάτια;
Λύση:
(α) Από το σχήμα της λεκάνης, το μήκος άνω–κάτω άκρων και τα αποτυπώματα πέλματος: δίποδη ή τετράποδη βάδιση. Από την κρανιακή χωρητικότητα και τα εργαλεία: νοημοσύνη. Από την οδοντοστοιχία, τα ίχνη φωτιάς και τα οστά ζώων: διατροφικές συνήθειες. Από τη χρονολόγηση, το βάθος και τους κόκκους γύρης: το κλίμα της εποχής.
(β) Γιατί το αρχείο απολιθωμάτων δεν είναι πλήρες: η απολίθωση και η ανακάλυψη είναι κυρίως τυχαίες, δεν απολιθώθηκαν οργανισμοί χωρίς σκληρά μέρη και πολλά απολιθώματα καταστράφηκαν από σεισμούς ή ηφαίστεια.
Το 1861, μόλις δύο χρόνια μετά την κυκλοφορία της «Προέλευσης των ειδών», βρέθηκε στη Γερμανία το απολίθωμα του Αρχαιοπτέρυγα (ηλικίας περίπου 150 εκατομμυρίων ετών): είχε φτερά όπως τα πουλιά, αλλά και δόντια, νύχια στις πτέρυγες και μακριά οστέινη ουρά όπως τα ερπετά — ένα από τα πιο διάσημα «ενδιάμεσα» απολιθώματα.
Σε μια πρωτεΐνη τεσσάρων ειδών Α, Β, Γ, Δ μετρήθηκαν οι διαφορές σε αμινοξέα: Α–Β = 2, Α–Γ = 10, Α–Δ = 25, Β–Γ = 9, Β–Δ = 24, Γ–Δ = 22. (α) Ποιο ζεύγος είναι το πιο συγγενικό; (β) Ποιο είδος είναι το πιο «απομακρυσμένο» από τα άλλα; (γ) Σχεδίασε με λόγια ένα φυλογενετικό δέντρο.
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Α–Β (μόνο 2 διαφορές).
(β) Το Δ: έχει τις περισσότερες διαφορές με όλα (25, 24, 22).
(γ) Πρώτα αποσχίζεται ο κλάδος του Δ (αρχαιότερη διακλάδωση)· στη συνέχεια αποσχίζεται ο κλάδος του Γ· πιο πρόσφατα διαχωρίζονται Α και Β, που έχουν τον πιο πρόσφατο κοινό πρόγονο. Στην πράξη οι επιστήμονες επιβεβαιώνουν ένα τέτοιο δέντρο συγκρίνοντας πολλές πρωτεΐνες.
Πώς χρονολογούνται σήμερα τα πετρώματα και τα απολιθώματα;
- Ομόλογα = ίδια λειτουργία. Ομόλογα: ίδια προέλευση· ανάλογα: ίδια λειτουργία.
- Απολίθωμα = μόνο πέτρωμα οστού. Είναι κάθε ίχνος ζωής του παρελθόντος (αποτυπώματα, έντομα σε ρητίνη).
- Το αρχείο απολιθωμάτων είναι πλήρες. Λείπουν πολλά κομμάτια.
- Μικρή διαφορά πρωτεϊνών = ο ένας κατάγεται από τον άλλον. Σημαίνει πρόσφατο κοινό πρόγονο.
- Φυλογενετικό δέντρο: κορμός = αρχικό είδος, κλαδιά = νέα είδη· στοιχεία από πολλές πηγές σαν παζλ.
- Παλαιοντολογία: απολιθώματα, στρώματα, ραδιοχρονολόγηση· ελλιπές αρχείο.
- Ανατομία: ομόλογα (ίδια προέλευση), ανάλογα (ίδια λειτουργία), υπολειμματικά (φάλαινα).
- Εμβρυολογία: ομοιότητες εμβρύων σπονδυλωτών, βραγχιακές σχισμές.
- Μοριακή Βιολογία: παγκόσμιος γενετικός κώδικας· λιγότερες διαφορές DNA/πρωτεϊνών = μεγαλύτερη συγγένεια (κυτόχρωμα: 1, 11, 45).