Τι είναι η φυλογένεση και από πού αντλούμε σχετικά στοιχεία 🌳

Όταν από ένα είδος προκύπτουν, με το πέρασμα του χρόνου, νέα είδη, η διαδικασία αυτή μοιάζει με την απόσχιση δύο κλαδιών από την ίδια κορυφή ενός δέντρου. Αν στην εικόνα αυτή προσθέσουμε και όλες τις προγενέστερες μορφές από τις οποίες προήλθαν τα σημερινά είδη, μπορούμε να φτιάξουμε ένα ολόκληρο φυλογενετικό δέντρο. Ο κορμός του δέντρου αυτού παριστάνει το αρχικό είδος, ενώ τα κλαδιά του τα νέα είδη που προέκυψαν από αυτό. Ένα φυλογενετικό δέντρο δείχνει, δηλαδή, τα στάδια από τα οποία πέρασαν οι σημερινές μορφές των ειδών μέχρι να φτάσουν στη σημερινή τους κατάσταση.

Η μελέτη των εξελικτικών σχέσεων ανάμεσα σε οργανισμούς και η κατασκευή τέτοιων δέντρων ονομάζεται φυλογένεση. Για να κατασκευάσουν ένα φυλογενετικό δέντρο, οι επιστήμονες αντλούν στοιχεία από πολλές διαφορετικές πηγές· άλλες ήταν ήδη γνωστές από την εποχή του Δαρβίνου —όπως τα απολιθώματα και οι συγκριτικές μελέτες ανατομίας και εμβρυολογίας— και άλλες προστέθηκαν αργότερα, χάρη στην πρόοδο της Βιοχημείας και της Μοριακής Βιολογίας. Όλες αυτές οι πληροφορίες συνδυάζονται μεταξύ τους σαν τα κομμάτια ενός παζλ, ώστε να αναδειχθούν οι εξελικτικές σχέσεις ανάμεσα στα είδη που μελετώνται.

Δεδομένα από την Παλαιοντολογία

Η Παλαιοντολογία μελετά τα απολιθώματα, δηλαδή τα υπολείμματα οργανισμών που έζησαν στο μακρινό παρελθόν. Συνήθως πρόκειται για τα σκληρά τμήματα ενός οργανισμού, όπως τα δόντια, ο εξωσκελετός ή τα οστά. Με το πέρασμα πολύ μεγάλου χρονικού διαστήματος, οι οργανικές ουσίες αυτών των υπολειμμάτων αντικαταστάθηκαν σταδιακά από ανόργανες, οι οποίες τα μετέτρεψαν κυριολεκτικά σε «λίθους». Ο όρος «απολίθωμα» όμως δεν περιορίζεται στα οστά· αναφέρεται σε κάθε ίχνος ζωής του παρελθόντος, όπως είναι και τα αποτυπώματα φυτών ή ζώων πάνω σε βράχους. Ένας άλλος τύπος απολιθώματος προκύπτει όταν ένα ζώο, συνήθως έντομο, παγιδευτεί σε ρητίνη· τα απολιθώματα αυτά διατηρούνται εξαιρετικά καλά και επιτρέπουν στους ερευνητές να μελετήσουν λεπτομερώς τη φυσιολογία, τη συμπεριφορά και την οικολογία των εντόμων.

Τα απολιθώματα αποτελούν, ουσιαστικά, μάρτυρες της ιστορίας της ζωής στον πλανήτη μας. Υποστηρίζουν με στοιχεία την ιδέα ότι η ζωή εξελίχθηκε, μέσα σε πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα, από απλές σε πιο περίπλοκες μορφές.

Πώς χρονολογούνται τα απολιθώματα. Την εποχή του Δαρβίνου, οι γεωλόγοι εκτιμούσαν την ηλικία ενός απολιθώματος από τη θέση των πετρωμάτων μέσα στα οποία αυτό είχε βρεθεί: τα κατώτερα στρώματα πετρωμάτων είναι συνήθως τα αρχαιότερα, ενώ τα πιο πρόσφατα απολιθώματα εντοπίζονται στα ανώτερα στρώματα. Σήμερα η χρονολόγηση γίνεται με μεγαλύτερη ακρίβεια, με τη μέθοδο της ραδιοχρονολόγησης, δηλαδή υπολογίζοντας τον βαθμό διάσπασης συγκεκριμένων ραδιενεργών στοιχείων που περιέχονται στα πετρώματα και τα απολιθώματα.

Τι μας αποκαλύπτει ένα απολίθωμα. Συγκρίνοντας τα χαρακτηριστικά ενός απολιθώματος με άλλα απολιθώματα, αλλά και με σύγχρονους οργανισμούς, μπορούμε να εκτιμήσουμε την εξελικτική πορεία ενός είδους. Για παράδειγμα, από τη μελέτη απολιθωμάτων προγονικών μορφών του ανθρώπινου είδους μπορούμε να αντλήσουμε πλήθος πληροφοριών:

• Από το σχήμα των οστών της λεκάνης, από το μήκος των άνω άκρων σε σχέση με το μήκος των κάτω άκρων, ή ακόμη και από αποτυπώματα πέλματος σε ηφαιστειακές στάχτες, συμπεραίνουμε αν ο οργανισμός βάδιζε σε δύο ή σε τέσσερα άκρα.
• Η αυξημένη κρανιακή χωρητικότητα, καθώς και η ύπαρξη εργαλείων κοντά στα παλαιοντολογικά ευρήματα, δίνουν πληροφορίες για τη νοημοσύνη του οργανισμού.
• Η μελέτη της οδοντοστοιχίας —ή ακόμη και μόνο κάποιων δοντιών— καθώς και τα ίχνη φωτιάς ή η ύπαρξη οστών άλλων ζώων κοντά στα ευρήματα, μπορούν να «προδώσουν» τις διατροφικές συνήθειες του οργανισμού.
• Η χρονολόγηση των απολιθωμάτων, το βάθος στο οποίο ανακαλύφθηκαν, αλλά και η εξέταση κόκκων γύρης που τυχόν βρέθηκαν μαζί με τα οστά, δίνουν ενδείξεις για το κλίμα που επικρατούσε στην αντίστοιχη εποχή.

Δεδομένα από την Ανατομία

Οι συγκριτικές μελέτες της ανατομίας διαφόρων ζώων παρέχουν ισχυρές ενδείξεις για την εξέλιξη των ειδών. Για παράδειγμα, σε διάφορα είδη σπονδυλωτών τα άνω άκρα αποτελούνται από την ίδια βασική σειρά οστών, τα οποία όμως έχουν τροποποιηθεί ώστε να εξυπηρετούν διαφορετικές λειτουργίες: άλλοτε σε φτερό (π.χ. στη νυχτερίδα), άλλοτε σε πτερύγιο (π.χ. στη φώκια), άλλοτε σε πόδι (π.χ. στον βάτραχο ή στο άλογο). Τέτοια όργανα, που έχουν την ίδια φυλογενετική προέλευση και όμοια βασική κατασκευή, αλλά διαφέρουν στη λειτουργία τους, ονομάζονται ομόλογα όργανα.

Αντίθετα, υπάρχουν όργανα που έχουν παρόμοια λειτουργία, αλλά διαφορετική εμβρυϊκή προέλευση και κατασκευή· αυτά ονομάζονται ανάλογα όργανα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η επιφάνεια των πτερύγων στα πουλιά (που προέρχεται από φτερά), στις νυχτερίδες (που προέρχεται από δέρμα) και στις πεταλούδες (που προέρχεται από υμένα, συνέχεια του εξωσκελετού τους). Και οι τρεις αυτές δομές εξυπηρετούν την ίδια λειτουργία —την πτήση— αλλά προέκυψαν από εντελώς διαφορετική αφετηρία, ανεξάρτητα η μία από την άλλη.

Υπολειμματικά όργανα. Πολλοί οργανισμοί διαθέτουν όργανα ή δομές χωρίς κάποια εμφανή λειτουργία σήμερα. Η φάλαινα, για παράδειγμα, δεν διαθέτει κάτω άκρα, έχει όμως μέσα στην κοιλιά της υπολείμματα των οστών της λεκάνης και των κάτω άκρων. Αυτό αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι η φάλαινα προήλθε εξελικτικά από τετράποδα θηλαστικά που ζούσαν στη στεριά. Τα όργανα αυτά, που έχασαν στην πορεία της εξέλιξης τη λειτουργία τους αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν σε υποτυπώδη μορφή, ονομάζονται υπολειμματικά όργανα και αποτελούν σημαντική ένδειξη για την κοινή καταγωγή των οργανισμών που τα φέρουν.

Δεδομένα από την Εμβρυολογία

Πρόσθετα στοιχεία για την εξέλιξη των ειδών προκύπτουν και από συγκριτικές μελέτες εμβρύων. Αν κανείς εξετάσει τα διάφορα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης διαφορετικών ειδών, όπως τα σπονδυλωτά, θα εντοπίσει εντυπωσιακές ομοιότητες στα αρχικά στάδια των εμβρύων —ομοιότητες πολύ μεγαλύτερες από όσες θα περίμενε κανείς βλέποντας τους ενήλικες οργανισμούς. Για παράδειγμα, όλα τα έμβρυα σπονδυλωτών αναπτύσσουν σε κάποιο πρώιμο στάδιο βραγχιακές σχισμές, οι οποίες υποδηλώνουν ότι όλα τα σπονδυλωτά προήλθαν εξελικτικά από έναν κοινό υδρόβιο πρόγονο.

Δεδομένα από τη Μοριακή Βιολογία

Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί, όσο διαφορετικοί κι αν φαίνονται εξωτερικά, παρουσιάζουν εκπληκτική ομοιότητα σε μοριακό επίπεδο. Σε όλους τους οργανισμούς υπάρχουν νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες. Όλα τα έμβια όντα «μιλούν την ίδια γλώσσα» στο επίπεδο των γονιδίων: ο γενετικός κώδικας, δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο η «γλώσσα» του DNA μεταφράζεται στη «γλώσσα» των πρωτεϊνών, είναι σχεδόν πανομοιότυπος σε όλους τους οργανισμούς. Επειδή είναι εξαιρετικά απίθανο τόσο πολύπλοκες βιοχημικές διαδικασίες να εξελίχθηκαν εντελώς ανεξάρτητα σε κάθε είδος ξεχωριστά, το γεγονός αυτό αποδεικνύει με πειστικό τρόπο ότι όλοι οι οργανισμοί έχουν κοινή προέλευση.

Η εξέλιξη ενός πληθυσμού είναι, στην ουσία της, συνέπεια αλλαγών που συμβαίνουν στο γενετικό του υλικό. Είναι επομένως αναμενόμενο η εξελικτική ιστορία των οργανισμών να βρίσκεται «καταγεγραμμένη» μέσα στο ίδιο τους το DNA. Συγκρίνοντας αλληλουχίες νουκλεοτιδίων ανάμεσα σε διαφορετικά είδη, μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα για τις εξελικτικές σχέσεις που τα συνδέουν. Ο κανόνας είναι απλός: οργανισμοί που είναι λιγότερο συγγενικοί μεταξύ τους έχουν περισσότερες διαφορές στην αλληλουχία του DNA τους, ενώ οργανισμοί που είναι περισσότερο συγγενικοί έχουν λιγότερες διαφορές.

Παρόμοιες πληροφορίες παρέχει και η σύγκριση πρωτεϊνών που επιτελούν την ίδια λειτουργία σε διαφορετικά είδη οργανισμών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η σύγκριση του κυτοχρώματος c, μιας πρωτεΐνης που συμμετέχει στην κυτταρική αναπνοή:

Όσο πιο κοντά βρίσκεται ένας οργανισμός στον άνθρωπο στο φυλογενετικό δέντρο, τόσο μικρότερες είναι οι διαφορές στη δομή της πρωτεΐνης — ακριβώς αυτό δείχνει και ο παραπάνω πίνακας.

Τα συμπεράσματα στα οποία καταλήγουμε για τις φυλογενετικές σχέσεις ανάμεσα σε οργανισμούς προέρχονται συνήθως όχι από τη σύγκριση μίας μόνο πρωτεΐνης, αλλά από τη σύνθεση πληροφοριών που μας δίνει η σύγκριση πολλών διαφορετικών πρωτεϊνών. Έτσι, οι επιστήμονες κατασκευάζουν πιο αξιόπιστα φυλογενετικά δέντρα, συνδυάζοντας δεδομένα από πολλαπλά μόρια.

Οι γεωλογικοί αιώνες

Χρησιμοποιώντας γεωλογικές και βιολογικές πληροφορίες, οι επιστήμονες έχουν χωρίσει την ιστορία της Γης σε αιώνες και περιόδους. Αξιόπιστοι «μάρτυρες» των γεωλογικών και βιολογικών φαινομένων που συνέβησαν κατά τη διάρκειά τους είναι ακριβώς τα πετρώματα και τα απολιθώματα που μελετήσαμε παραπάνω.

Ανακεφαλαίωση: πηγές φυλογενετικών δεδομένων

Οι τέσσερις βασικές πηγές δεδομένων που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να κατασκευάσουν φυλογενετικά δέντρα συνοψίζονται παρακάτω:

Καμία από αυτές τις πηγές δεν αρκεί από μόνη της για να δώσει πλήρη εικόνα της εξελικτικής ιστορίας ενός είδους. Οι επιστήμονες συνδυάζουν όλα αυτά τα δεδομένα σαν κομμάτια ενός παζλ, ώστε να συνθέσουν —όσο πιο αξιόπιστα γίνεται— το φυλογενετικό δέντρο που δείχνει τις εξελικτικές σχέσεις ανάμεσα στα είδη.