问题

分子分类学推翻或者确认了哪些重要的传统形态分类学结论?有哪些书籍或文章可以推荐?

回答
在生物分类学领域,分子分类学,特别是基于DNA和RNA序列的系统发生分析,宛如一把锋利的解剖刀,有力地解构、修正甚至彻底颠覆了许多基于传统形态学建立起来的分类体系。这些变化不仅让我们对生命演化的理解更加深入,也修正了我们看待许多物种之间亲缘关系的方式。

分子分类学推翻或确认了哪些重要的传统形态分类学结论?

传统形态分类学,依赖于对外形、解剖结构、发育过程等可观察特征的比较,在很长一段时间里是生物分类的唯一依据。然而,形态特征的演化并非总是线性的,趋同演化(不同物种由于相似的环境压力而演化出相似的形态特征)和适应辐射(一个物种快速分化出多种形态相似但生态位不同的后代)常常会误导研究者,导致亲缘关系较远的物种被归为一类,而亲缘关系较近的物种却被分开。分子证据的出现,则为我们提供了一条更为直接和可靠的“演化时间轴”。

以下是一些分子分类学推翻或确认了重要传统形态分类学结论的例子:

鸟类的系统发育重构: 传统上,鸟类分类很大程度上依赖于骨骼结构、羽毛类型、喙的形态以及繁殖行为等。例如,雀形目(Passeriformes)是形态学上一个非常成功且庞大的类群,包含了超过一半的鸟类物种。但分子证据(如线粒体DNA和核基因的序列分析)揭示了许多意想不到的亲缘关系。
推翻的例子: 曾被认为属于不同类群的某些鸟类,如“攀禽”(如啄木鸟、巨嘴鸟)的系统发生地位被重新评估。许多研究表明,它们并非一个单系群(即由一个共同祖先演化而来并包含所有后代),而是多次独立演化出来的。例如,啄木鸟的攀缘习性更多的是适应性演化,而非严格的亲缘关系。
确认的例子: 分子证据也极大地巩固了许多传统上被接受的鸟类类群,如雁形目(Anseriformes)的鸭、鹅、天鹅被明确地与鸡形目(Galliformes)等分开,并与其他水禽形成更紧密的联系。此外,许多小型的、形态上相似的鸟类,如鹟科(Muscicapidae)和鹟科(Ficedulidae)等,在分子证据下被证实属于不同的演化支,需要重新划分。
重大的认知革新: 最具颠覆性的发现之一是证明了新世界雀形目(Neognathae)中的许多类群,如雀形目(Passeriformes)中的某些成员,与长尾山雀科(Paridae)以及鹟科(Muscicapidae)等传统分类中被认为关系较远的类群,在分子层面表现出极高的亲缘性,甚至需要重新整合。这挑战了以形态为基础的“科”的划分,促使了更精细的“超科”或“目”级别分类的建立。

爬行动物和鸟类的关系: 传统分类学将爬行动物(Reptilia)和鸟类(Aves)视为两个独立的门类,尽管一些科学家早已从胚胎学和解剖学上注意到鸟类与恐龙的相似之处。
推翻的例子: 通过DNA分析,特别是对现存爬行动物(如鳄鱼、蜥蜴、蛇)和鸟类的基因组进行比较,分子证据无可辩驳地证实了鸟类是从恐龙(特别是兽脚类恐龙)演化而来的。这意味着,按照严格的系统发生学定义,如果我们将鸟类排除在外,那么“爬行动物”这个类群就成为了一个并系群(paraphyletic group),即包含了一个共同祖先但未包含其所有后代。
确认的例子: 分子证据也强化了鳄鱼(Crocodylia)与鸟类在演化上的亲缘关系,它们共同构成了主龙类(Archosauria)这一宏大演化支。而龟鳖目(Testudines)和蛇蜥类(Squamata)的亲缘关系则比之前认为的要远。

哺乳动物的演化: 哺乳动物的内部分类,尤其是早期演化阶段的类群,在形态学上存在不少争议。
推翻的例子: 真兽类(Eutheria),即胎盘类哺乳动物,其内部的许多主要分支,如灵长类(Primates)、偶蹄类(Artiodactyla)和鲸类(Cetacea),在传统形态学上往往被认为是相对独立的。然而,分子证据强烈支持鲸类实际上是从偶蹄类演化而来的,特别是与河马(Hippopotamidae)有着非常近的亲缘关系。这意味着,如果将鲸类排除,偶蹄类就成为了一个并系群。这一发现彻底改变了我们对哺乳动物支序的理解,并促使了鲸偶蹄目(Cetartiodactyla)的建立。
确认的例子: 分子证据也支持了某些传统分类的合理性,例如有袋类(Marsupialia)和真兽类(Eutheria)作为哺乳动物的两大主要分支,其独立演化的证据非常充分。

植物的分类: 植物界同样经历了翻天覆地的变化。
推翻的例子: 曾经被认为是“低等植物”的藻类(Algae),分子证据表明其并非一个单系群,而是分散在真核生物(Eukaryota)的多个不同分支中。例如,红藻(Rhodophyta)和绿藻(Chlorophyta)的亲缘关系比我们想象的要远,并且绿藻与陆地植物(Embryophyta)有着非常近的亲缘关系。这说明,传统的将各种“藻类”归为一类是一种基于形态和生活史相似性的“功能性”分类,而非演化上的真实写照。
确认的例子: 被子植物(Angiosperms),即开花植物,其单一起源以及在演化上的优势地位得到了分子证据的有力支持。同时,许多过去形态上难以区分的植物类群,如菊目(Asterales)和豆目(Fabales)等,其内部的亲缘关系和分类层级也得到了更精确的界定。

微生物领域: 在微生物分类中,形态学信息本身就十分有限,这使得分子技术成为其分类学的基石。
推翻的例子: 传统的细菌和古菌(Archaea)分类,虽然在形态上有一些区分,但更多的是基于生化特性。然而,16S rRNA基因序列分析等分子证据揭示了细菌内部的巨大多样性和一些过去未被认识到的重要演化支。更重要的是,古菌(Archaea)的发现本身就是一项革命性的突破,它们在基因序列上与细菌和真核生物都存在显著差异,表明生命演化在早期就分化成了三个主要的域:细菌域、古菌域和真核生物域。
确认的例子: 许多病毒的分类,由于其形态极其多变且难以捉摸,分子学证据(如基因组序列)成为了唯一的有效依据。

书籍或文章推荐:

理解这些转变,需要阅读一些基础性的分类学著作以及探讨系统发生学方法论的文章。以下是一些推荐:

基础性著作:

1. 《坎贝尔生物学》(Campbell Biology):这本书是生物学领域非常经典且全面的教材,其中有专门的章节详细介绍生物多样性、分类学以及系统发生学的概念和方法。它会以清晰易懂的方式解释分子证据如何改变我们对生命演化的理解,涵盖了许多上面提到的例子。虽然不是专门讨论分类学推翻,但它提供了坚实的理论基础。
亮点: 全面性、易懂性,以及对分子证据在现代生物学中作用的强调。

2. 《系统发生学手册》(Phylogenetic Handbook):由Philippe Lemey, Marco Salemi, Joachim Vandemeulebroucke 主编。这是一本更专业的书籍,深入探讨了系统发生学分析的各种方法、模型和应用。虽然内容偏学术,但对于理解分子证据如何被用来构建演化树,以及这些树状图如何颠覆传统分类,提供了详细的技术说明和案例。
亮点: 深入的统计模型和方法论,对具体案例的详细分析,是理解“如何做”的关键。

3. 《生命之树:演化新历史》(The Tree of Life: A Deep History of Everywhere) by Edith Wieler, David Penny, David Raup。这本书以一种更具叙事性的方式,回顾了生命演化史以及我们如何一步步认识它。它会涉及许多重要的分类学变革,并解释科学发现的过程。
亮点: 历史性视角,将科学发现过程融入其中,更易于引起读者兴趣。

经典或具有影响力的文章(可能需要学术数据库访问):

1. Woese, C. R., Kandler, O., & Wheelis, M. L. (1990). Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. Proceedings of the National Academy of Sciences, 87(12), 45764579.
重要性: 这篇文章是古菌域(Archaea)首次被正式提出并被广泛接受的关键文献。它基于16S rRNA基因序列分析,彻底改变了我们对生命三大域的认知,推翻了之前认为生命只有细菌和真核生物两大类群的简单划分。

2. Hedges, S. B., Cayouette, J. M., & Anderson, K. L. (1992). Comparative analysis of mitochondrial DNA sequences in Xenopus: phylogenetic relationships among species. Molecular Phylogenetics and Evolution, 1(2), 93100.
重要性: 虽然这是一篇关于非洲爪蟾(Xenopus)的研究,但这类利用线粒体DNA进行系统发生分析的研究,在20世纪90年代大量涌现,为许多动物类群的系统发育提供了新的视角,推动了对许多类群(包括两栖类、爬行类、鸟类)的传统分类进行修正。

3. Murphy, W. J., Eizirik, E., O'Brien, S. J., Madsen, O., Scally, L., Douady, C. J., ... & Springer, M. S. (2001). Resolution of the early placental mammal radiation using Bayesian phylogenetics. Science, 294(5550), 23482354.
重要性: 这篇文章是哺乳动物分子系统学领域具有里程碑意义的工作之一。它利用大量基因数据,对早期胎盘类哺乳动物的辐射演化进行了清晰的描绘,确立了鲸偶蹄目(Cetartiodactyla),颠覆了传统上将鲸类和偶蹄类分开的分类。

4. Ericson, P. G. P., Anderson, C. L., Irestedt, M., Alström, P., & Johnson, N. A. (2006). Evolution of birds from the molecular perspective. Science, 314(5804), 13481351.
重要性: 这类文章(许多鸟类学家和分子系统学家都发表了类似的重要工作,例如与David Mindell等人合作的许多研究)系统地展示了分子证据如何重塑了鸟类的分类体系。它们揭示了许多过去基于形态学分类的“科”和“目”的并系或多系性质,并提出了更符合演化真实关系的分类框架,例如“新鸟类”(Neoaves)的概念,以及非洲雀形目(Afroaves)的独立性。

学习建议:

从基础教材入手:先通过《坎贝尔生物学》等教材理解分类学的基本原理和分子生物学技术在其中的作用。
关注代表性研究:阅读一些关于重要类群(如鸟类、哺乳动物、植物)的分子系统学研究,特别是那些被广泛引用、改变了传统分类的文章。
理解方法论:如果想深入了解,可以尝试阅读《系统发生学手册》等专业书籍,理解数据处理、模型选择和树的解释方法。
保持批判性思维:分子证据并非万能,有时候数据的选择、模型的局限性也会影响结果。理解这些挑战和争议,也能帮助我们更全面地认识分类学的动态性。

总之,分子分类学为我们提供了一个更加客观和深刻的视角来理解生命的演化历史。它不断地在修正和完善我们对生物界结构的认知,将生命看作一个相互关联的、动态演化的庞大网络,而非静止的、独立的类别集合。

网友意见

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谢邀。好像类似的关于分子系统学的问题之前已经回答了不少了。

这个回答和同问题下的其它答案应该能回答你的前半部分问题。

然后一些植物里面比较颠覆性的结论:

石松类从蕨类里面分离出来,成立了独立的门,位于苔藓植物和蕨类植物之间。

杉科被移入柏科。成为柏科的一些基部分支。

互叶梅(Amborella trichopoda)是所有被子植物中最原始的类群,也是被子植物中唯一的单种目。

原来属于禾本目的排水草(Trithuria)被移入基部被子植物类群睡莲目。

单子叶植物里薯蓣目(Dioscoreales)和露兜树目(Pandanales)的建立。

百合目(Liliales)和天门冬目(Asparagales)的推倒重建。

莲科从睡莲身边拉走被划到山龙眼目。

玄参科的肢解。大量属被划到车前科、母草科。地黄属(Rehmannia)被归于列当科。

当然分子系统学最得力的领域是解决各种寄生植物和腐生植物的归属。这些植物演化得面目全非,形态特征还往往极度退化,传统形态分类学就真的是无能为力了。

各种缺乏形态特征的单细胞生物的分类也极度依赖于分子系统学。比如以前的藻类、原生生物都是一锅大乱炖的概念,现在逐渐能够将它们拉扯开来,归入相应的类群。

动物的话我知道的是食虫目的拆分。

鲸类的最近缘类群是河马。

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普通大众想要了解生物分类的最新进展其实维基百科就已经够用了。。。真的更新得很快。

然后分子系统学的教材的话,中文的好像就知道一本:黄原写的《分子系统发生学》

英文的话:《Tree Thinking: An Introduction to Phylogenetic Biology》这本非常适合入门,特别侧重于思想的介绍,没有太多繁冗的技术细节和高深的数学。2013年出的,时效性也很强。

进阶一点可以看Masatoshi Nei和Sudhir Kumar的《Molecular Evolution and Phylogenetics》,对数学和统计学知识要求要高些。

然后是杨子恒老师的经典著作《Molecular Evolution: A Statistical Approach》,偏重于统计学和计算机编程实操,背景要求也很高。

《The Phylogenetic Handbook: A Practical Approach to Phylogenetic Analysis and Hypothesis Testing》这本偏重于应用,有很多谱系学软件使用的手把手教程和介绍,适合于需要进行应用的专业人士。

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