פילוגנטיקה

רקע

הנחת היסוד העומדת בבסיס הפילוגנטיקה היא שלכל החיים בכדור הארץ מקור משותף (המכונה "האב הקדמון הכולל"). הנחה זו מהווה את אחד מעמודי התווך של הביולוגיה האבולוציונית מאז דרווין. על פי הגדרת ההיררכיה הטקסונומית, למינים קרובים יש הורים משותפים בעבר הקרוב, ואילו למינים רחוקים יש הורה משותף בעבר הרחוק. המינים של ימינו מורכבים מאילני יוחסין הממשיכים למעשה להסתעף, מאחר שמדובר בתהליך מתמשך ולא בנקודת קצה יציבה.
השיטה הפילוגנטית שואפת לקבוע חלוקה לסדרות ומשפחות תוך שמירה על הסדר הטבעי, כאשר כל יחידת חלוקה היא מונופילטית, כלומר מכילה אב קדמון משותף ואתו כל צאצאיו. כתוצאה מגישה זו, נוצרו סדרות אחדות המכילות משפחה בודדת, או אף מין ייחודי בודד, ולעומתן סדרות אחרות מכילות רבבות של מינים.
פילוגנטיקה היא למעשה חקר הגנאלוגיות האבולוציוניות הללו. אף שהעקרון הוא עתיק, תחום הפילוגנטיקה התפתח מאוד בעשור האחרון בזכות הקידמה הטכנולוגית בתחום המחשבים ופענוח הקוד הגנטי, כמו גם פיתוחן של כלים ושיטות לשחזור פילוגנטי. הניתוח הפילוגנטי מניב עץ מסועף שמייצג את ההיסטוריה האבולוציונית של אילני היוחסין הנחקרים.
בנית עץ פילוגנטי נעשתה בעבר על פי תכונות חיצוניות של אורגניזמים שונים, אך כיום היא נעשית על פי הבדלים ברצף ה-DNA (סמנים גנטיים) ובדמיון בין גנים באורגניזמים שונים. גישה זו הביאה עמה שינויים גדולים בתפישתנו את היחסים בין הצמחים השונים למשל, אפילו ברמה של משפחה בודדת. כך למשל, סוגים רבים במשפחת השושניים הופרדו למשפחות אחרות, ולעיתים אף הועברו לסדרות אחרות.

ביומטריה קלאסית ומולקולרית

הביומטריה מנסה ללמוד על ההיסטוריה של התפתחות החיים על כדור הארץ מסמנים שהשאירו אורגניזמים עתיקים בקרקע ומהתכונות של המינים ששרדו. פלאונטולוגיה, תורת המאובנים, היא המדע העוסק בחקירת סימנים שהשאירו אורגניזמים עתיקים בשכבות קרקע שונות. הביומטריה ה"קלאסית" נשענת על הפלאונטולוגיה ועל האנטומיה המשווה (השוואה צורנית בין מינים חיים) ומנסה לסווג ולמיין את עולם החי לפי מאפיינים חיצוניים - מאפייני העצמות והאיברים, סוגי הסימטריה וכדומה. הנחת היסוד של האבולוציה היא שתכונותיו הנוכחיות של כל יצור הן תוצאה של ברירה טבעית שאירעה במשך דורות רבים. רוב התכונות משתנות לאט במשך דורות רבים. לכן דמיון או חוסר-דמיון בתכונה שהברירה הטבעית עליה חלשה יכול להוות עדות לקרבה אבולוציונית של שני אורגניזמים שונים.
מינים קדומים נמצאו כשרידי מאובנים על ידי פליאנטולוגים. על ידי בחינה והשוואה מורפולוגית של מאובנים לצד מינים קיימים, הפלאונטולוגים מסיקים מידע לגבי מוצאם. שיטה זו מצליחה בעיקר בעבודה עם חלקי גוף גדולים וקשיחים שמשתמרים היטב. מאובנים המעניינים במיוחד את החוקרים הם חוליות ביניים - מאובני פרטים ממינים שנכחדו המהווים הסבר לקשר בין מינים הקיימים כיום. לדוגמה: האב המשותף לזאב ולדוב. אולם מדידות ואיסוף נתונים סטטיסטיים על מאובנים אחרים ועל מורפולוגיה של מינים החיים כיום מקדמים מאוד את המחקר. עדויות מהאנטומיה המשווה, התורה שמשווה בין מבנה הגוף והאיברים של מינים שונים, עוסקות בעיקר מדידות והשוואות של איברים הומולוגיים. איברים הומולוגיים הם איברים שווי מוצא אבולוציוני שאינם בהכרח שווי תפקוד במינים השונים. לדוגמה, הגפיים העליונות של האדם הומולוגיות לכנפי הציפורים, אולם כנפי העטלף וסנפירי הדולפין הומולוגיות רק לכף היד של האדם ולא לכלל הגפה העליונה שלו. הזרוע התנוונה ונעלמה אצל העטלף והדולפין. ישנם גם איברים הומולוגיים חסרי שימוש - המעי העיוור של הפרה מסייע בעיכול ואצל האדם הוא חסר שימוש.
הביומטריה המולקולרית נשענת על תורת התורשה. ההבנה של התורשה התפתחה באופן משמעותי עם גילוי ה-DNA ופענוח מבנהו ומנגנון פעולתו בשנות ה-50 של המאה העשרים, ותורת הביומטריה המולקולרית מההשוואה של רצפי חלבונים ו-DNA. הנחת היסוד של תורת האבולוציה המולקולרית היא, שבכל תהליך של שכפול חומר גנטי חלות טעויות אקראיות (מוטציות), שרבות מהן נייטרליות (לנושא אותן אין יתרון או נחיתות משמעותית לעומת אורגניזם הנושא את הרצף המקורי) ומונצחות ב-DNA. במהלך הדורות, מצטברות מוטציות בגנום. אם משווים רצף DNA מסוים באוכלוסייה של יצורים, רואים ברוב המקרים שונות בין הרצפים. השונות תלויה במידת הקרבה המשפחתית בקרב חבריה, המושפעת מגיל האוכלוסייה (הזמן שעבר מאז שהאבות המייסדים שלה התרחקו מהאוכלוסייה ממנה באו) ומידת בידודה (אפשרות הערבוב עם אוכלוסיות אחרות). חלק מהרצפים מקודדים לתכונות בסיסיות ועתיקות מאוד ולכן אפשר למצוא רצפים זהים או דומים מאוד בקרב אורגניזמים רחוקים (רצפים שמורים) כמו בני אדם ומדוזות (למשל אזורים מסוימים במערכת החיסונית). קיימים אלגוריתמים שונים ושיטות סטטיסטיות שונות למדידת קרבה. כל אלגוריתם מבוסס על הנחות יסוד שונות לגבי תהליך ההחלפה של נוקלאוטיד אחד באחר או של חומצת אמינו אחת באחרת.
מאובנים חיים הם פרטים החיים כיום ושייכים למינים, סוגים וסדרות שנמצאות כבר מיליוני או אפילו מאות מיליוני שנים על סף הכחדה. הם נקראים מאובנים חיים משום שקל יותר למצוא מאובן שלהם מאשר אותם. לדוגמה, שלושת המינים הקיימים כיום של דג הריאות. מאובנים חיים מאפשרים לבדוק את הקשר בין הביומטריה הקלאסית לביומטריה המולקולרית.
הביומטריה מאפשרת לשרטט עצים אבולוציוניים שאורכי "הענפים" שלהם מייצגים את מידת השוני בין המינים, ציר ה-Y של המשטח עליו משורטט העץ האבולוציוני הוא ציר הזמן וציר ה-X מייצג מידה כל שהיא של תכונה שלפיה מחושבת הקרבה בין המינים (למשל יעילות תעופה או יעילות נשימה). עצים אבולוציוניים מורכבים גם בעזרת קלדיסטיקה – שיטה למיון ונתינת שמות לקבוצות של מינים על פי ההיסטוריה האבולוציונית שלהם. על פי שיטה זו, שמה של כל קבוצת מינים נקבע על ידי שם האב קדמון המשותף שלה.

שימושים בחקר חלבונים

רצפי ה-mRNA המקודדים לחלבון משתנים בתהליך האבולוציה. לפיכך ההבדלים בין אורגניזמים שונים באים לידי ביטוי בשוני בין חלבונים אורתולוגים (לדוגמה המוגלובין מאדם, מעכבר ומדג). חלקים שונים של החלבון נוטים לעבור שינויים אבולוציונים בתדירויות שונות, האתר הפעיל בחלבון למשל, נחשב לאזור השמור ביותר בין בעלי חיים שונים. בדרך זו, ניתוח פילוגנטי של חלבונים אורתולוגים מאפשר זיהוי אזורים חשובים בחלבון ורומז על תפקידו.