FILOGENESI: INTERPRETAZIONE, TIPOLOGIE DI ALBERI, APPLICAZIONI - BIOLOGIA - 2025

Una filogenesi , in biologia evolutiva, è una rappresentazione della storia evolutiva di un gruppo di organismi o di una specie, sottolineando la linea di discendenza e le relazioni di parentela tra i gruppi.

Oggi, i biologi hanno utilizzato i dati derivati ​​principalmente dalla morfologia e dall'anatomia comparative e dalle sequenze geniche per ricostruire migliaia e migliaia di alberi.

Fonte: Wilson JEM Costa, tramite Wikimedia Commons

Questi alberi cercano di descrivere la storia evolutiva delle diverse specie di animali, piante, microbi e altri esseri organici che abitano la terra.

L'analogia con l'albero della vita risale ai tempi di Charles Darwin. Questo geniale naturalista britannico coglie nel capolavoro "L'origine delle specie" un'unica immagine: un "albero" che rappresenta la ramificazione di lignaggi, a partire da un antenato comune.

Cos'è una filogenesi?

Alla luce delle scienze biologiche, uno degli eventi più sorprendenti che hanno avuto luogo è l'evoluzione. Detto cambiamento nelle forme organiche nel tempo può essere rappresentato in un albero filogenetico. Pertanto, la filogenesi esprime la storia dei lignaggi e come sono cambiati nel tempo.

Una delle implicazioni dirette di questo grafico è l'ascendenza comune. Cioè, tutti gli organismi che vediamo oggi sono emersi come discendenti con modifiche di forme passate. Questa idea è stata una delle più significative nella storia della scienza.

Tutte le forme di vita che possiamo apprezzare oggi - dai batteri microscopici, alle piante e ai vertebrati più grandi - sono collegate e quella relazione è rappresentata nel vasto e intricato albero della vita.

Nell'analogia dell'albero, le specie che vivono oggi rappresenterebbero le foglie e il resto dei rami sarebbe la loro storia evolutiva.

Cos'è un albero filogenetico?

Viene mostrata una filogenesi semplificata del Metazoa. Per alcuni gruppi, una rappresentazione schematica è associata ad alcuni dei tipi di occhi che possono presentare: Coppa, Fotocamera con foro di ingresso luce, Fotocamera con lente, Composito per apposizione e Composto per sovrapposizione. Laura bibiana, da Wikimedia Commons

Un albero filogenetico è una rappresentazione grafica della storia evolutiva di un gruppo di organismi. Questo modello di relazioni storiche è la filogenesi che i ricercatori stanno cercando di stimare.

Gli alberi sono costituiti da nodi che collegano i "rami". I nodi terminali di ogni ramo sono i taxa terminali e rappresentano le sequenze o gli organismi per i quali sono noti i dati: possono essere specie viventi o estinte.

I nodi interni rappresentano ipotetici antenati, mentre l'antenato trovato alla radice dell'albero rappresenta l'antenato di tutte le sequenze rappresentate nel grafico.

Come vengono interpretati gli alberi filogenetici?

Esistono molti modi per rappresentare un albero filogenetico. Per questo motivo è importante sapere come riconoscere se queste differenze che si osservano tra due alberi sono dovute a differenti topologie - cioè differenze reali corrispondenti a due ortografie - o semplicemente differenze legate allo stile di rappresentazione.

Ad esempio, l'ordine in cui le etichette appaiono in alto può variare, senza modificare il significato della rappresentazione grafica, generalmente il nome della specie, del genere, della famiglia, tra le altre categorie.

Ciò accade perché gli alberi assomigliano a un mobile, dove i rami possono ruotare senza cambiare il rapporto della specie rappresentata.

In questo senso, non importa quante volte l'ordine viene cambiato o gli oggetti che sono "sospesi" vengono ruotati, poiché non cambia il modo in cui sono collegati - e questa è la cosa importante.

Come vengono ricostruite le filogenesi?

Le filogenesi sono ipotesi formulate sulla base di prove indirette. Chiarire una filogenesi è simile al lavoro di un investigatore che risolve un crimine seguendo gli indizi dalla scena del crimine.

I biologi spesso postulano le loro filogenesi utilizzando la conoscenza di vari rami, come la paleontologia, l'anatomia comparata, l'embriologia comparata e la biologia molecolare.

La documentazione sui fossili, sebbene incompleta, fornisce informazioni molto preziose sui tempi di divergenza di gruppi di specie.

Con il passare del tempo, la biologia molecolare ha superato tutti i campi menzionati e la maggior parte delle filogenesi sono dedotte da dati molecolari.

L'obiettivo di ricostruire un albero filogenetico presenta una serie di importanti inconvenienti. Ci sono circa 1,8 milioni di specie nominate e molte altre senza essere descritte.

E, sebbene un numero significativo di scienziati si sforzi ogni giorno di ricostruire le relazioni tra le specie, non esiste ancora un albero completo.

Personaggi omologhi

Quando i biologi desiderano descrivere le somiglianze tra due strutture o processi, possono farlo in termini di ascendenza comune (omologie), analogie (funzione) o omoplasia (somiglianza morfologica).

Per ricostruire una filogenesi vengono utilizzati esclusivamente caratteri omologhi. L'omologia è un concetto chiave nell'evoluzione e nella ricreazione delle relazioni tra le specie, poiché solo riflette adeguatamente l'ascendenza comune degli organismi.

Supponiamo di voler inferire la filogenesi di tre gruppi: uccelli, pipistrelli e umani. Per raggiungere il nostro obiettivo, abbiamo deciso di utilizzare gli arti superiori come caratteristica che ci aiuta a discernere lo schema delle relazioni.

Poiché uccelli e pipistrelli hanno modificato le strutture per il volo, potremmo concludere erroneamente che pipistrelli e uccelli sono più legati l'uno all'altro dei pipistrelli agli umani. Perché siamo giunti alla conclusione sbagliata? Perché abbiamo utilizzato un carattere analogo e non omologato.

Per trovare la relazione corretta devo cercare un carattere omologo, come la presenza di capelli, ghiandole mammarie e tre piccole ossa nell'orecchio medio - solo per citarne alcuni. Tuttavia, le omologie non sono facili da diagnosticare.

Tipi di alberi

Non tutti gli alberi sono uguali, ci sono rappresentazioni grafiche differenti e ognuna riesce a incorporare alcune caratteristiche peculiari dell'evoluzione del gruppo.

Gli alberi più elementari sono i cladogrammi. Questi grafici mostrano le relazioni in termini di ascendenza comune (secondo gli antenati comuni più recenti).

Gli alberi additivi contengono informazioni aggiuntive e sono rappresentati nella lunghezza dei rami.

I numeri associati a ciascun ramo corrispondono a qualche attributo nella sequenza, come la quantità di cambiamento evolutivo che gli organismi hanno subito. Oltre agli "alberi additivi", sono noti anche come alberi metrici o fillogrammi.

Gli alberi ultrametrici, chiamati anche dendogrammi, sono un caso particolare di alberi additivi, dove le punte dell'albero sono equidistanti dalla radice all'albero.

Queste ultime due varianti hanno tutti i dati che possiamo trovare in un cladogramma e informazioni extra. Pertanto, non sono esclusivi, se non complementari.

Politomias

Molte volte, i nodi degli alberi non sono completamente risolti. Visivamente, si dice che c'è una politomia, quando più di tre rami emergono da uno nuovo (c'è un unico antenato per più di due discendenti immediati). Quando un albero non ha politomie, si dice che sia completamente risolto.

Esistono due tipi di politomie. Le prime sono le politomie "dure". Questi sono intrinseci al gruppo di studio e indicano che i discendenti si sono evoluti allo stesso tempo. In alternativa, le politomie "morbide" indicano relazioni non risolte causate dai dati di per sé.

Classificazione evolutiva

Lignaggi monofiletici

I biologi evoluzionisti cercano di trovare una classificazione che si adatti al modello di ramificazione della storia filogenetica dei gruppi. In questo processo sono stati sviluppati una serie di termini ampiamente utilizzati nella biologia evolutiva: monofiletico, parafiletico e polifiletico.

Un taxon monofiletico o lignaggio è quello che comprende una specie ancestrale, che è rappresentata nel nodo, e tutti i suoi discendenti, ma non altre specie. Questo raggruppamento è chiamato clade.

I lignaggi monofiletici sono definiti a ciascun livello della gerarchia tassonomica. Ad esempio, la Famiglia Felidae, una stirpe che contiene felini (compresi i gatti domestici), è considerata monofiletica.

Allo stesso modo, Animalia è anche un taxon monofiletico. Come possiamo vedere, la famiglia Felidae è all'interno di Animalia, quindi i gruppi monofiletici possono essere nidificati.

Lignaggi parafiletici e polifiletici

Tuttavia, non tutti i biologi condividono il pensiero di classificazione cladistico. Nei casi in cui i dati non sono completi o semplicemente per comodità, vengono nominati alcuni taxa che includono specie di cladi diversi o taxa superiori che non condividono un antenato comune più recente.

In questo modo, un taxon è polifiletico, è definito come un gruppo che include organismi di cladi diversi e questi non condividono un antenato comune. Ad esempio, se vogliamo designare un gruppo di omeotermi, includerebbe uccelli e mammiferi.

Al contrario, un gruppo parafiletico non contiene tutti i discendenti dell'antenato comune più recente. In altre parole, esclude alcuni membri del gruppo. L'esempio più utilizzato sono i rettili, questo gruppo non contiene tutti i discendenti dell'antenato comune più recente: gli uccelli.

applicazioni

Oltre a contribuire al difficile compito di chiarire l'albero della vita, le filogenesi hanno anche alcune applicazioni abbastanza significative.

In campo medico, le filogenesi vengono utilizzate per tracciare l'origine e i tassi di trasmissione di malattie infettive, come l'AIDS, la dengue e l'influenza.

Sono anche utilizzati nel campo della biologia della conservazione. La conoscenza della filogenesi di una specie in via di estinzione è essenziale per monitorare i modelli di ibridazione e il livello di ibridazione e consanguineità tra gli individui.

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