Cos’è la filogenesi?

Phylogeny is the representation of the evolutionary history and relationships between groups of organisms.

I risultati sono rappresentati in un albero filogenetico che fornisce un output visivo delle relazioni basate su caratteristiche fisiche e genetiche condivise o divergenti.

L’analisi filogenetica dipende dal tipo di dati inseriti, dal numero di specie e dalla gamma di relazioni evolutive interpretate.

Taxonomia e filogenesi

La tassonomia è la scienza della classificazione in cui gli organismi biologici sono raggruppati e nominati sulla base di caratteristiche comuni. Permette una comunicazione razionale tra gli scienziati, compresi i biologi e i microbiologi. La filogenesi è uno strumento utile per i tassonomisti perché può essere usata per studiare lo sviluppo evolutivo. La tassonomia ha portato allo studio della filogenesi attraverso il quadro di divisione degli organismi in una gerarchia di categorie tassonomiche come la famiglia, il genere e la specie.

Lo schema di classificazione sviluppato da Linneo nel 18° secolo sarebbe poi stato usato come base per dedurre la filogenesi interpretando le relazioni evolutive tra le categorie tassonomiche. Sia la tassonomia che la filogenesi richiedono il confronto delle caratteristiche tra gli organismi, con studi che utilizzano prima le caratteristiche morfologiche e poi procedono con i dati molecolari.

Alberi filogenetici radicati e non radicati

Gli alberi filogenetici possono essere radicati o non radicati. Gli alberi filogenetici radicati si incontrano in un punto su un singolo nodo che rappresenta un ipotetico antenato comune. Ci sono vari metodi per produrre un albero filogenetico radicato, ma i più comuni utilizzano un outgroup costituito da un parente lontano per tutte le altre specie all’interno dell’analisi. Gli alberi radicati forniscono una rappresentazione delle relazioni evolutive attraverso il tempo, con i percorsi più lunghi tra una specie e un antenato che riflettono la maggiore distanza evolutiva tra loro. Gli alberi senza radici mostrano le connessioni tra gli organismi senza indicare l’ascendenza e non richiedono un antenato conosciuto o dedotto.

Filogenetica molecolare

Gli approcci filogenetici richiedono grandi serie di dati analizzati attraverso una rigorosa modellazione matematica. I dati molecolari possono produrre un maggior numero di caratteristiche rispetto alle caratteristiche morfologiche. I nucleotidi nel DNA non sono ambigui, con stati caratteriali di A, C, G e T che possono essere chiaramente definiti. I tratti morfologici, al contrario, si basano su forma e struttura che possono sovrapporsi ed essere difficili da distinguere. La semplice conversione delle informazioni molecolari in forma numerica significa che questo tipo di dati è particolarmente adatto all’analisi filogenetica.

Un’ulteriore complicazione delle filogenesi prodotte attraverso i dati morfologici è la plasticità fenotipica. Questo è il caso in cui c’è meno vincolo per un comportamento o una caratteristica morfologica a cambiare in risposta ad un ambiente unico. La plasticità fenotipica può quindi offuscare i segnali filogenetici. Un certo numero di relazioni evolutive sorprendenti sono state scoperte attraverso la filogenetica molecolare, non essendo state evidenziate da precedenti filogenesi prodotte da tratti morfologici.

Gli alberi filogenetici molecolari sono ottenuti dal confronto di sequenze nucleotidiche. Le sequenze omologhe indicano che derivano da una sequenza ancestrale comune. Le sequenze di DNA sono poi allineate in modo che i nucleotidi omologhi possano essere confrontati, notando qualsiasi divergenza per accumulo di indel e mutazioni puntiformi. Le differenze nucleotidiche segnate sono poi usate per ricostruire l’albero filogenetico con l’analisi bootstrap spesso eseguita per fornire i limiti di confidenza.

Stima della speciazione dalle filogenesi

La filogenesi può anche essere usata per stimare la durata della speciazione, spiegando quanto tempo ci vuole per formare una nuova specie e i fattori che influenzano questo arco di tempo. Le simulazioni hanno scoperto che le filogenesi spesso non contengono abbastanza informazioni per produrre previsioni imparziali dei tassi di speciazione ed estinzione, ma ci sono metodi di modellazione che riducono gli errori. Il modello di speciazione protratta presuppone che la speciazione sia un processo graduale con formazione continua di specie incipienti che sperimentano un percorso protratto che alla fine può portare allo sviluppo di una nuova specie.

Una singola specie è definita all’interno del modello come un complesso di tutti i lignaggi che non sono ancora stati separati da un evento di speciazione-completamento. Il modello di speciazione protratta può spiegare i tassi ridotti di accumulazione dei lignaggi nel tempo e l’analisi delle filogenie, combinata con il modello di speciazione protratta, produce un nuovo approccio alla stima della durata della speciazione.

Altre letture

• Tutti i contenuti della filogenesi
• Importanza della filogenesi in microbiologia

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