系統樹：タイプとその特性、例 - 生物学 - 2025

系統樹はグループ、集団、種、または任意の他の分類学的カテゴリの歴史や祖先・子孫関係の数学的なグラフィカルな表現です。理論的には、すべての系統樹を生命の木にグループ化して、普遍的なツリーを構成できます。

これらのグラフィック表現は、進化生物学の研究に革命をもたらしました。それは、種の確立と定義、さまざまな進化仮説（共生理論など）のテスト、疾患（HIVなど）の起源の評価などを可能にするためです。

出典：ジョングールド（1804年9月14日-1188年2月3日）

ツリーは、形態的または分子的特性、あるいはその両方を使用して再構築できます。同様に、それらを構築するさまざまな方法があり、最も一般的なのはクラディストの方法論です。これは、synapomomorphyとして知られている共有派生文字を識別しようとします。

特徴

チャールズダーウィンによって開発された原則の1つは、すべての生物の共通の祖先です。つまり、私たち全員が離れた祖先を共有しています。

「種の起源」でダーウィンは「生命の木」の比喩を提起します。実際、彼は架空のグラフィカルツリーを使用して自分のアイデアを開発しています（不思議なことに、これはOriginの唯一のイラストです）。

このメタファーの表現は、系統樹として私たちが知っているものであり、特定の生物群の歴史と関係をグラフィカルに表示することができます。

系統樹の解剖学

系統樹では、次の部分を区別できます-植物の類推を続けます：

枝：木の線は「枝」と呼ばれ、これらは時間の経過に伴う研究個体群を表します。木の種類（以下を参照）に応じて、ブランチの長さが意味を持つ場合と意味がない場合があります。

枝の先端で、評価したい生物を見つけます。これらは、現在生きている実体、または絶滅した存在である可能性があります。種は私たちの木の葉です。

根：根は木の最も古い枝です。あるものはそれを持ち、根付き木と呼ばれますが、そうでないものもあります。

ノード：2つ以上の系統のブランチのブランチポイントはノードと呼ばれます。ドットは、子孫グループの最新の共通の祖先を表します（これらの祖先は仮説であることに注意してください）。

ノードの存在は、種形成イベント-新しい種の作成を意味します。この後、各種は進化の過程をたどります。

追加の用語

これらの3つの基本的な概念に加えて、系統樹に関しては他の必要な用語があります。

ポリトミー：系統樹がノードに3つ以上のブランチを持っている場合、ポリトミーがあると言われています。これらの場合、関与する生物間の関係が明確でないため、系統樹は完全には解決されません。これは多くの場合、データの不足が原因で発生し、研究者がさらに蓄積した場合にのみ修正できます。

外部グループ：系統発生の問題では、外部グループの概念を聞くのが一般的です-外部グループとも呼ばれます。このグループは、ツリーをルートできるように選択されています。それは以前に研究グループから分岐した分類群として選択されるべきです。たとえば、棘皮動物を研究している場合は、ホヤのグループを外すことができます。

タイプ

ツリーには、クラドグラム、加法ツリー、ウルトラメトリックツリーの3つの基本タイプがあります。

クラドグラムは最も単純な木であり、共通の祖先に関する生物の関係を示します。ブランチのサイズには追加の意味がないため、このタイプのツリーの情報はブランチパターンに存在します。

2番目のタイプのツリーは、メトリックツリーまたはフィログラムとも呼ばれる加算です。枝の長さは進化の変化の量に関連しています。

最後に、ウルトラメトリックツリーまたは樹状図があり、ツリーのすべての先端が同じ距離にあります（これは、先端がパートナーよりも低いまたは高いように見える系統図ではそうではありません）。枝の長さは進化時間に関連しています。

ツリーの選択は、回答したい進化の質問に直接関係しています。たとえば、個人間の関係のみに関心がある場合は、研究にはクラドグラムで十分です。

系統樹を読むときによくある間違い

系統樹はしばしば進化生物学（および一般生物学）で広く使用されているグラフですが、これらの明らかに単純なグラフは読者に提供することを目的としているというメッセージを誤って解釈する学生や専門家がたくさんいます。

トランクはありません

最初の間違いは、進化が進歩を意味すると仮定して、横向きに読むことです。進化のプロセスを正しく理解していれば、先祖種が左側にあり、より進んだ種が右側にあると考える理由はありません。

木の植物の類推は非常に有用ですが、それがもはやそれほど正確ではなくなっている点があります。ツリーには存在しない重要なツリー構造、つまり幹があります。系統樹では、主な枝は見つかりません。

具体的には、人を進化の究極の「目標」と見なす人もいるかもしれません。そのため、ホモ・サピエンス種は常に最終的な存在として位置付けられるべきです。

ただし、この見解は進化の原則と一致していません。系統樹が可動要素であることを理解した場合、この特性は表現に関連しないため、ホモを木の末端位置に配置できます。

ノードは回転できます

系統樹について理解しなければならない重要な特徴は、それらが非静的グラフを表すことです。

それらでは、これらすべてのブランチが回転することができます-モバイルができるのと同じ方法で。一部の移動では、ツリーのパターンまたはトポロジーを変更する必要があるため、ブランチを自由に移動できるとは限りません。回転できるのはノードです。

ツリーのメッセージを解釈するには、ブランチの先端に焦点を当てるのではなく、グラフの最も重要な側面であるブランチポイントに焦点を当てる必要があります。

また、木を描くにはいくつかの方法があることを覚えておく必要があります。多くの場合、それは本や雑誌のスタイルに依存し、枝の形や位置の変更は、彼らが私たちに伝えたい情報に影響を与えません。

現在の祖先または「古い」種の存在を推定することはできません

現在の種に言及するときは、祖先の意味合いをそれらに適用すべきではありません。たとえば、チンパンジーと人間の関係を考えると、チンパンジーは私たちの血統の祖先であると誤解されるかもしれません。

しかし、チンパンジーと人間の共通の祖先はどちらでもありませんでした。チンパンジーが祖先であると考えることは、両方の系統が分離するとその進化が止まったと仮定することです。

これらの考えの同じ論理に従って、系統樹は若い種がいるかどうかも教えてくれません。対立遺伝子の頻度は絶えず変化し、時間とともに変化する新しい特性があるので、種の年齢を決定することは困難であり、確かに、樹木は私たちにそのような情報を提供しません。

「経時的な対立遺伝子頻度の変化」は、集団遺伝学が進化を定義する方法です。

彼らは不変です

系統樹を見るとき、このグラフは具体的な証拠から生成された単なる仮説であることを理解する必要があります。ツリーにさらに文字を追加すると、トポロジが変更される可能性があります。

問題の生物の関係を解明するための最良の特性を選択する際の科学者の専門知識が鍵となります。さらに、研究者が木を評価して最ももっともらしい木を選択できるようにする非常に強力な統計ツールがあります。

例

生命の3つのドメイン：古細菌、細菌、ユーカリ

1977年、研究者のカールウーゼは、生物を3つのドメインに分類することを提案しました：古細菌、細菌、ユーカリです。この新しい分類システム（以前は、真核生物と原核生物の2つのカテゴリしかなかった）は、リボソームRNA分子マーカーに基づいていました。

細菌と真核生物は広く知られている生物です。古細菌は細菌と間違われることが多い。ただし、これらは細胞成分の構造が大きく異なります。

したがって、それらは細菌のような微視的な生物ですが、古細菌ドメインのメンバーは真核生物とより密接に関連しています。

出典：Mariana Gelambiにより作成。

霊長類の系統

進化生物学の中で、最も物議を醸しているトピックの1つは人間の進化です。この理論の反対者にとって、現代人を生み出した類人猿の祖先から始まる進化は論理的ではありません。

重要な概念は、現在の類人猿から進化したのではなく、共通の祖先を彼らと共有したことを理解することです。類人猿と人間のツリーでは、人間を除外しているため、「類人猿」として知られているものは有効な単系統群ではないことが際立っています。

出典：Mariana Gelambiにより作成。

奇蹄目（Cetartiodactyla）の系統

進化論的に言えば、クジラ目は他の哺乳類との関係があまり明確でない脊椎動物のグループを代表していた。形態学的には、クジラ、イルカ、および他のメンバーは、他の哺乳類にほとんど似ていません。

現在、異なる形態学的および分子的特性の研究のおかげで、大型クジラ目の姉妹グループは偶蹄類によって形成されていると結論づけることができました-有蹄類でさえ有蹄類。

出典：Mariana Gelambiにより作成。

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