3
BAB II PEMBAHASAN
Molecular phylogenetics phylogenetics adalah studi mengenai hubungan evolusi antar organi organisme sme dengan dengan menggu menggunak nakan an data data molecu molecular lar sepert sepertii DNA dan sequen sequence ce protein, insersi dari element transposable attau molekul marker lainnya. Tujuan dari penelitian filogenetik adalah untuk merekonstruksi ikatan genealogis yang benar antara entitas biologis, untuk memperkirakan perbedaan waktu antara organisme, dan untuk mencatat urutan kejadian evolusi garis keturunan. A. Dampak Dampak Data Molekul Molekular ar Dalam Dalam Studi Filogene Filogenetik tik
tudi tentang filogeni molekuler dimulai sebelum pergantian abad, bahkan sebelum hukum !endel ditemukan kembali pada tahun "#$$. tudi imunokimia menunjukkan bahwa serologikal cross reaction yang reaction yang kuat bagi organisme terkait dekat dari pada organisme organisme yang tekait jauh. %mplikasi evolusi evolusi dari temuan ini digunakan oleh Nuttall &"#$', "#$() untuk menyimpulkan hubungan filogenetik dari beberapa kelompok hewan seperti autherians &mamalia berkuku), primate dan lainya, ia bertekat bahwa kekerabatan terdekat dari manusia adalah kera. ejak akhir "#*$+an, berbagai teknik telah dikembangkan di dalam biologi molek molekul ular ar,, dan dan mulai mulai secara secara ekst eksten ensif sif meng menggu guna naka kan n data data mole moleku kuler ler pada pada penelitian filogenetik. ecara khusus, studi filogeni molekuler berkembang sangat pesat dalam tahun tahun "#$+an dan "#-$+an sebagai akibat dari perkembangan metodologi protein sequencing. !etode lebih murah dan lebih bijaksana seperti elektroforesis elektroforesis protein, protein, hibridisasi hibridisasi DNA+DNA, DNA+DNA, dan metode metode imunologi, imunologi, meskipun meskipun kurang kurang akurat daripada sekuensing sekuensing protein, protein, yang secara luas digunakan digunakan untuk mempelajari hubungan filogenetik di antara populasi atau spesies yang terkait erat &oodman "#'/ Nei "#-*/ Ayala "#-/ 0ilson et al "#--. ). 1enerapan metode ini juga mendorong mendorong pengembang pengembangan an langkah+lan langkah+langkah gkah dari jarak genetik dan metode tree- making methods. Akumulasi yang cepat dari data sekuen DNA sejak akhir tahun"#-$+an telah memiliki dampak yang besar pada filogeni molekuler. Data urutan DNA lebih banyak dan lebih mudah untuk dianalisis daripada data sekuens protein.
4
!unculnya !unculnya berbagai berbagai teknik teknik molekuler, molekuler, khususnya khususnya polymerase chain reaction &123), telah menyebabkan akumulasi lebih cepat dari data s equence DNA dan telah menghasilkan tingkatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dari kegiatan di bidang molekuler filogenetik. filogenetik. !emang, data ini telah digunakan digunakan di satu sisi untuk menyimpulkan hubungan filogenetik di antara populasi berkaitan erat atau spesies, seperti hubungan antara populasi manusia atau hubungan antara kera dan, di sisi lain, mereka digunakan digunakan untuk mempelajari kejadian evolusi yang sangat sangat kuno, kuno, seperti asal+usul mitokondria mitokondria dan kloroplas kloroplas dan divergensi divergensi filum dan kingdo kingdom. m. Tentu entu saja, saja, kita kita tidak tidak harus harus mening meninggalk galkan an kebiasa kebiasaan an lama lama dalam dalam penyelidikan evolusi, seperti morfologi, anatomi, fisiologi, dan paleontologi. ebaliknya, ebaliknya, pendekatan pendekatan yang berbeda menyediakan menyediakan data pelengkap. pelengkap. !emang, taksonomi terutama didasarkan pada data morfologi dan anatomi, dan informasi paleontologi adalah salah satu dari beberapa jenis data yang dapat memberikan kerangka waktu dalam studi mengenai evolusi. B. Keun Keuntung tungan an Data Moleku Molekular lar Dalam Dalam Studi Studi Filogenet Filogenetik ik
Ada beberapa alasan mengapa data molekuler, terutama DNA dan data urutan asam amino, jauh lebih cocok untuk studi evolusi dari data morfologi dan fisiologis. 1ertama, DNA dan sequence protein adalah bagian yang secara ketat diwariskan. %ni mungkin tidak berlaku bagi banyak ciri+ciri morfologi yang dapat dipengaruhi oleh faktor lingkungan. 4edua, deskripsi karakter molekuler tidak ambigu. 4etiga, sifat+sifat molekul umumnya berevolusi dalam cara yang jauh lebih lebih teratur teratur daripa daripada da karakte karakterr morfol morfologi ogi dan fisiolo fisiologis gis dan karena karena itu dapat dapat memberi memberikan kan gambar gambaran an yang yang lebih lebih jelas jelas tentan tentang g hubung hubungan an antara antara organi organisme sme.. 4eempat, data molekuler sering jauh lebih mudah menerima treatment kuantitatif daripa daripada da data data morfol morfologi ogi.. 1ada 1ada kenyat kenyataan aanny nya, a, teori teori matemat matematika ika modere moderen n dan statistik statistik telah dikembangkan dikembangkan untuk analisis analisis kuantitatif kuantitatif data urutan urutan DNA, sedangkan penelitian morfologi mempertahankan banyak argumentasi kualitatif. 4elima, penilaian homologi lebih mudah dengan data molekuler daripada dengan ciri+ciri morfologi. morfologi. 4eenam, 4eenam, beberapa beberapa data molekuler molekuler dapat digunakan digunakan untuk untuk menila menilaii hubung hubungan an evolusio evolusioner ner antara antara organi organisme sme
yang yang terkait terkait sangat sangat jauh. jauh.
Akhirnya, data molekuler jauh lebih banyak daripada data morfologi. 4elimpahan data molekuler dalam hal ini sangat berguna berguna ketika bekerja bekerja dengan dengan organisme organisme
5
seperti seperti bakteri bakteri,, alga, alga, dan proto5 proto5oa, oa, yang yang memili memiliki ki hanya hanya beberap beberapaa karakt karakter er morfologi atau fisiologis yang dapat digunakan untuk studi filogenetik. C. Istila Istilah h Pohon Pohon Filogen Filogenet etik ik Dalam Dalam stud studii filo filoge gene neti tik, k,
hubu hubung ngan an
evol evolus usio ione nerr
antar antaraa
kelo kelomp mpok ok
organisme organisme diilustrasika diilustrasikan n dengan dengan cara pohon pohon filogenetik filogenetik &atau dendrogram dendrogram). ). ebuah pohon filogenetik adalah grafik yang terdiri dari node &nodus) dan cabang, di mana hanya salah satu cabang menghubungkan dua node yang berdekatan. Node akan merepresentasi unit taksonominya. 6nit taksonomi ta ksonomi yang diwakili oleh node dapat berupa spesies &atau taksa yang lebih tinggi), tinggi), populasi, individu, individu, atau gen. edangkan cabang+cabang mendefinisikan hubungan antara unit taksonomi dalam hal keturunan dan asal usulnya. 1ola percabangan pohon disebut dengan topologi. Terminal Terminal nodus mewakili unit taksonomi taksonomi yang masih ada di bawah perbandingan, yang disebut dengan unit taksonomi operasional &7tus). internal nodus nodus mewakili mewakili unit leluhur, leluhur, dan karena kita tidak tidak memiliki data data empiris yang berkaitan dengan taksa ini, mereka kadang+kadang disebut sebagai unit taksonomi hipotesis hipotesis &7tus).ebu &7tus).ebuah ah nodus nodus terbagi terbagi kedalam dua cabang cabang &bifurcating &bifurcating)) jika hanya hanya memiliki memiliki dua garis keturunan keturunan langsung, langsung, tapi multifurcating multifurcating jika memiliki memiliki lebih dari dua garis keturunan keturunan langsung. Dalam studi evolusi evolusi kita berasumsi bahwa proses spesiasi biasanya satu biner, yaitu, bahwa hasil spesiasi dalam pembentukan tidak lebih dari dua spesies dari saham tunggal pada satu waktu. 8erikut ini, kita mengasumsikan bahwa spesiasi selalu merupakan proses bifurcating, dan pohon multifurcating hanya akan digunakan untuk kasus+kasus di mana urutan temporal yang tepat dari beberapa bifurcation tidak dapat ditentukan secara jelas. . Ber Beraka akarr Dan Dan Pohon Pohon !idak !idak Bera Berakar kar 1ohon dapat berakar atau tidak berakar. Dalam pohon berakar terdapat node tertentu, yang disebut akar, berasal dari arah.9 jalur yang unik dan mengarah ke node lain &ambar *.'a). Arah masing+masing masing+masing jalur sesuai dengan waktu evolusi, dan akar adalah nenek moyang terbaru dari semua unit taksonomi yang diteliti. diteliti. 1ohon 1ohon unrooted9 unrooted9 tidak berakar berakar adalah pohon yang hanya hanya menentukan menentukan tingkat kekerabatan antara unit taksonomi tetapi tidak menentukan jalur evolusi &ambar &ambar *.'b). *.'b). :adi, :adi, tegasny tegasnya, a, pohon pohon unroot unrooted9 ed9 tidak tidak beraka berakarr mungki mungkin n tidak tidak dengan dengan sendir sendiriny inyaa diangg dianggap ap sebagai sebagai pohon pohon filoge filogeneti netik, k, karena karena panah panah waktu waktu
6
evolusi tidak ditentukan. pohon unrooted tidak membuat asumsi atau memerlukan pengetahuan tentang nenek moyang yang sama.
". Skala Dan Pohon !idak Berskala
2abang yang tidak berskala/ panjang mereka tidak sebanding dengan jumlah perubahan, yang ditunjukkan pada jenis percabangan. :enis resentasi ini memungkinkan kita untuk memberi baris unit taksonomi operational yang masih ada dan untuk menempatkan nodus internal yang mewakili peristiwa divergensi pada skala waktu dari divergensi yang dikenal atau telah diperkirakan. cabang yang berskala,masing+masing
panjang
cabang sebanding
dengan
jumlah
perubahan &misalnya, substitusi nukleotida) yang telah terjadi di sepanjang cabang itu.
#. Format Ne$i%k
Dalam program komputer, pohon direpresentasikan dalam bentuk linear oleh serangkaian tanda kurung berlapis, melampirkan nama dan dipisahkan
7
dengan koma. :enis representasi disebut format Newick. 1encetus format ini adalah 2ayley &";*-).
elama tiga spesies A, 8, dan 2, hanya ada satu kemungkinan pohon unrooted &ambar *.*a). Ada, pohon Namun, > berakar berbeda &ambar *.*b). 6ntuk ( 7T6s, ada > kemungkinan pohon unrooted &ambar *.*c) dan "* orang berakar
cara menghitung pohon filogenetik dapat dilakukan dengan menggunakan rumus berikut ini yang pada dasarnya tergantung dari jumlah 7T6s yang dimiliki
8
biasanya sangat sulit untuk mengidentifikasi pohon filogenetik secara
benar
ketika n dalam jumlah yang besar. (. Pohon Se)enarn*a Dan Pohon Dugaan +diasumsikan,
6rutan peristiwa spesiasi yang telah menyebabkan pembentukan setiap kelompok 7T6s secara historis adalah unik. Dengan demikian, hanya satu dari semua pohon yang mungkin yang dapat dibangun dengan sejumlah 7T6s tertentu dan dapat mewakili sejarah evolusi yang sebenaranya. eperti pohon filogenetik disebut pohon yang benar. ebuah pohon yang diperoleh dengan menggunakan satu set tertentu dari data dan metode tertentu rekonstruksi pohon disebut pohon asumsi. ebuah pohon asumsi mungkin atau tidak mungkin identik dengan pohon yang sebenarnya. -. pohon gen dan pohon spesies
punah, memiliki asal+usul yang sama, dan para leluhur
mereka dapat ditelusuri kembali ke satu atau beberapa organisme yang hidup sekitar ( miliar tahun lalu. emua hewan, tumbuhan, dan bakteri yang terkait dengan keturunannya satu sama lain. 4etika kita menelusuri kembali sejarah,
9
banyak gen dari spesies yang berbeda sehingga kita dapat menyimpulkan terdapat jalur pewarisan untuk spesies, dan dalam hal ini kita memperoleh pohon filogenetik untuk spesies, atau pohon spesies, yang mewakili hubungan evolusi di antara spesies. Dalam pohon spesies, bifurkasi &percabangan dua arah) mewakili waktu spesiasi, yaitu, waktu ketika dua spesies menjadi berbeda dan secara reproduktif terisolasi satu sama lain. 1ohon gen dapat berbeda dari pohon spesies dalam dua hal. 1ertama, perbedaan dari dua gen sampel dari dua spesies yang berbeda mungkin memiliki pra+tanggal perbedaan dua spesies dari satu sama lainnya &ambar *.) .%ni akan menghasilkan terlalu tinggi dari panjang cabang tetapi tidak akan mewakili masalah serius jika kita prihatin dengan evolusi jangka panjang, di mana komponen divergensi karena polimorfisme genetik dalam setiap spesies dapat diabaikan. !asalah kedua dengan pohon+pohon gen adalah bahwa pola percabangan pohon gen &yaitu, topologi) mungkin berbeda dari pohon spesies. Alasan untuk perbedaan ini adalah polimorfisme genetik pada spesies leluhur. D. !ipe Data
Data molekuler jatuh ke salah satu dari dua kategori? karakter dan jarak. 4arakter memberikan informasi tentang 7T6 individu. :arak merupakan pernyataan kuantitatif mengenai perbedaan antara dua 7T6s. . Data karakter
4arakter adalah ciri yang terdefinisi dengan baik di unit taksonomi dan dapat mengasumsikan satu dari dua atau lebih keadaan karakter. Dengan kata lain, karakter
adalah
variabel
independen,
seperti
@tinggi@
atau
@#;
1osisi amino acid di sitokrom c, @dan keadaan karakter adalah nilai karakter dalam 7T6 tertentu, misalnya,@ ",; cm @atau@ alanin. @ 4arakter dapat bersifat kuantitatif atau kualitatif. Character states dari karakter kuantitatif &misalnya, tinggi) biasanya terus menerus dan diukur pada skala interval. Character states dari karakter kualitatif &misal posisi asam amino dalam protein) adalah diskrit & berlainan). karakter diskrit dapat diberikan nilai dua atau lebih. 4etika karakter hanya dapat memiliki dua character states, itu disebut sebagai biner. 4etika tiga atau lebih karakter disebut sebagai multistate. Data
10
molekuler memberikan banyak karakter biner yang berguna dalam studi filogenetik, biasanya mengambil bentuk ada atau tidak adanya penanda molekuler &molecular marker). !isalnya, ada atau tidak adanya retrotransposon di sebuah lokasi genom tertentu dapat digunakan sebagai karakter filogenetik. ". Data arak
Tidak seperti data karakter, di mana nilai+nilai ditugaskan untuk unit taksonomi individu, data jarak melibatkan pasang takson. 8eberapa prosedur eksperimental, seperti hibridisasi DNA+DNA, langsung menghasilkan jarak berpasangan. Data jarak tidak dapat dikonversi menjadi data karakter. Dalam kasus tersebut, metode jarak menyediakan satu+satunya cara merekonstruksi pohon filogenetik. 8anyak data primer yang dihasilkan oleh studi molekuler, termasuk urutan dan peta pembatasan, terdiri dari data karakter. 4arakter ini, bagaimanapun, dapat diubah menjadi jarak, misalnya, jumlah substitusi per side antara dua urutan nukleotida. Data jarak dapat aditif, ultrametric, atau tidak. :arak yang aditif jika jarak antara dua 7T6s adalah sama dengan jumlah panjang dari semua cabang yang menghubungkan mereka. ebuah pohon di mana semua jarak yang aditif disebut pohon aditif. E. Metode /ekonstruksi Pohon
!enyimpulkan bahwa filogeni merupakan sebuah prosedur estimasi, di mana @ perkiraan terbaik @ dari sejarah evolusi dibuat atas dasar kelengkapan informasi. Dalam konteks filogenetik molekuler, kita biasanya tidak memiliki informasi tentang masa lalu/ kami hanya memiliki akses ke urutan kontemporer yang berasal dari organisme kontemporer. 4arena banyak pohon filogenetik yang berbeda dapat diproduksi dari setiap 7T6s, kita harus menentukan kriteria spesifik untuk memilih salah satu atau beberapa pohon yang mewakili estimasi terbaik dari sejarah evolusi yang sebenarnya. ebagian besar metode inferensi filogenetik berupaya mencapai tujuan ini dengan mendefinisikan kriteria untuk membandingkan filogeni alternatif dan memutuskan mana pohon lebih baik. ebuah rekonstruksi filogenetik, oleh karena itu, terdiri dari dua langkah? &") definisi kriteria optimalitas, atau fungsi obyektif, yaitu, nilai yang ditugaskan untuk pohon dan selanjutnya digunakan untuk membandingkan satu pohon ke pohon lain/ dan &') desain algoritma tertentu untuk menghitung nilai fungsi
11
objektifnya dan untuk mengidentifikasi pohon &atau set pohon) yang memiliki nilai+nilai terbaik menurut kriteria yang diinginkan. 8eberapa metode rekonstruksi pohon menggunakan urutan langkah+langkah spesifik &yaitu, sebuah algoritma) untuk membangun pohon terbaik. !etode menggabungkan inferensi pohon dan definisi kriteria optimalitas untuk memilih pohon lebih disukai dalam satu pernyataan. ebuah kontroversi lama di dalam filogenetik menyangkut tentang @2ladistics@ dan @phenetics.@ 2ladistics dapat didefinisikan sebagai studi tentang jalur evolusi. Dengan kata lain, cladists lebih tertarik pada pertanyaan seperti? 8erapa banyak cabang yang ada di antara sekelompok organisme cabang tersebut menghubungkan ke mana dan, Apa urutan percabangan ebuah pohon yang mengekspresikan hubungan leluhur+keturunan tersebut disebut cladogram.. Dengan kata lain, cladogram mengacu pada topologi pohon filogenetik berakar.Di sisi lain, fonetik adalah studi tentang hubungan antara sekelompok organisme berdasarkan tingkat kesamaan di antara mereka, kemiripan molekuler, fenotip, atau anatomi. ebuah pohon mengungkapkan hubungan phenetic disebut fenogram. :ika ada hubungan linear antara waktu evolusi dan tingkat perbedaan genetik, dua jenis pohon akan sama.
the maximum parsimony method adalah
perwakilan khas dari pendekatan cladistic, sedangkan 61!A adalah khas metode phenetic. Dalam filogeni molekuler, klasifikasi yang lebih baik dari metode tersebut adalah distance matrix and character state approaches. a. Metode Matri0 'arak
Dalam metode matriks jarak, jarak evolusi &biasanya jumlah substitusi nukleotida atau penggantian asam amino antara dua unit taksonomi) dihitung untuk
semua
pasangan taksa, dan pohon filogenetik dibangun dengan
menggunakan algoritma yang didasarkan pada beberapa hubungan fungsional antara nilai+nilai jarak. Unweighted pair-group method with arithmetic means (UPGMA)
%ni adalah metode paling sederhana untuk rekonstruksi pohon. %ni pada awalnya dikembangkan untuk membangun fenogram taksonomi, yaitu, pohon yang mencerminkan fenotipik yang kesamaan antara 7tus &okal dan !ichener "#*;), tetapi juga dapat digunakan untuk membangun pohon filogenetik jika
12
harga evolusi kurang lebih konstan antara garis keturunan yang berbeda sehingga suatu hubungan linear dapat diperkirakan ada antara jarak evolusi dan Divergensi waktu &Nei "#-*). 61!A menggunakan algoritma clustering berurutan, di mana hubungan topologi lokal diidentifikasi dalam rangka penurunan kesamaan, dan pohon filogenetik dibangun secara bertahap. Dengan kata lain, kita kenali dulu dari antara semua 7tus &atau 7tus sederhana) dua yang paling mirip satu sama lain dan memperlakukan ini sebagai single 7T6s baru disebut sebagai 7T6 komposit. 6ntuk kelompok 7tus baru kita menghitung matriks jarak baru dan mengidentifikasi pasangan dengan kesamaan tert inggi. 1rosedur ini diulang sampai kita dibiarkan hanya ada dua 7tus.
Transformed distance method (metode jarak berubah)
:ika asumsi kekonstanan tingkat antara garis keturunan tidak tahan, 61!A dapat memberikan topologi keliru. !isalnya, bahwa pohon filogenetik pada ambar *.""a adalah pohon yang benar. Dengan asumsi aditivitas, yang jarak evolusi berpasangan diberikan oleh matriks berikut?
4esalahan topologi ini mungkin diperbaiki, namun, dengan menggunakan koreksi yang disebut metode jarak berubah &
Dalam sebuah pohon bifurcating unrooted, dua 7tus dikatakan tetangga jika mereka terhubung melalui internal node tunggal. attath dan Tversky &"#--)
13
mengusulkan metode berikut untuk menangani lebih dari empat 7tus. 1ertama, menghitung matriks jarak seperti di 61!A. 8erikutnya, kita menghitung matriks jarak yang baru seperti dalam kasus 61!A dan ulangi proses untuk memilih pasangan kedua tetangga. 1roses ini diulang sampai kita yang tersisa dengan tiga 7tus, pada saat topologi pohon ini jelas disimpulkan. Saitou and $ei"s neighbor-joining method
!etode tetangga+bergabung &aitou dan Nei "#;-) juga merupakan metode
bertetangga.
%ni memberikan sebuah perkiraan algoritma untuk
menemukan pohon terpendek &evolusi minimum). Bal ini dilakukan dengan berurutan menemukan tetangga yang meminimalkan total panjang pohon. b% Metode ma&imum parsimon!
Parsimony atau metode minimum evolution pertama kali digunakan dalam filogenetik oleh 2amin and okal pada tahun "#* &<=C=NT=%N, "#-;). !etode ini memprediksikan pohon evolusi9evolutionary tree yang meminimalkan jumlah langkah yang dibutuhkan untuk menghasilkan variasi yang diamati dalam sekuen. 6ntuk alasan ini, metode ini juga sering disebut sebagai metode evolusi minimum9minimum evolution method. ebuah multiple sequence alignment dibutuhkan untuk memprediksi posisi sekuen yang s epertinya berhubungan. 1osisi ini akan menampilkan kolom vertikal dalam multiple sequence alignment. 6ntuk masing+masing posisi yang disejajarkan, pohon filogenetika membutuhkan perubahan evolusi dalam jumlah terkecil untuk menghasilkan pengamatan perubahan sekuen yang diidentifikasi. Analisis ini terus menerus dilakukan terhadap masing+masing posisi dalam penjejeran sekuen. Akhirnya, pohon yang menghasilkan jumlah perubahan terkecil secara keseluruhan dihasilkan untuk semua posisi sekuen yang diidentifikasi. !etode ini berguna untuk sekuen yang mirip dan dalam jumlah yang sedikit. Alogaritma yang digunakan tidak rumit tetapi dijamin untuk dapat menemukan pohon yang terbaik, sebab semua kemungkinan pohon yang dibentuk berhubungan dengan kelompok sekuen yang diperiksa. 6ntuk alasan ini, metode ini cukup membutuhkan banyak waktu dan tidak berguna untuk data sekuen dalam jumlah besar dan asumsi lain harus dibuat untuk root pohon yang diprediksikan.
14
c% Pendekatan ma&imum #ikehood
!etode ini menggunakan kalkulasi untuk menemukan pohon yang mempunyai hitungan variasi terbaik dalam set sekuen. !etode ini mirip dengan metode maximum parsimony dalam analisis yang dibentuk pada masing+masing kolom dalam multiple sequence alignment . emua kemungkinan pohon yang terbentuk dipertimbangkan, sehingga metode ini hanya cocok untuk sekuen dalam jumlah kecil. !etode ini mempertimbangkan untuk masing+masing pohon, jumlah perubahan sekuen atau mutasi yang terjadi yang memberikan variasi sekuen. !etode maximum likehood menampilkan kesempatan penambahan untuk mengevaluasi pohon dengan variasi dalam rata+rata mutasi dalam lineage yang berbeda. !etode ini dapat digunakan untuk mengekplorasi hubungan antara sekuen yang lebih beragam, dimana kondisi ini tidak dapat dilakukan dengan baik jika menggunakan metode maximum persimony. 4ekurangan metode maximum likehood adalah membutuhkan pekerjaan komputer yang sangat intensif. :ika menggunakan komputer yang lebih cepat, metode maximum likehood dapat digunakan untuk model evolusi yang lebih komplek. !etode ini juga dapat digunakan untuk menganalisa mutasi pada overlapping reading frame pada virus &2BADT et al ., "##;). F. Per)andingan !opologi%al
Bal ini kadang+kadang diperlukan untuk mengukur kesamaan atau perbedaan antara beberapa topologi pohon. kebutuhan tersebut mungkin timbul ketika berhadapan dengan pohon+pohon yang telah disimpulkan dari analisis set data yang berbeda atau dari berbagai jenis analisis dari kumpulan data yang sama. elain itu, beberapa metode rekonstruksi pohon &parsimony maksimal, misalnya) dapat menghasilkan banyak pohon daripada filogeni yang unik. Dalam kasus tersebut, mungkin disarankan untuk menggambar sebuah pohon yang merangkum poin+poin kesepakatan di antara semua pohon+pohon. 4etika dua pohon yang berasal dari set data yang berbeda atau metodologi yang berbeda identik, mereka dikatakan kongruen. 4esesuaian kadang+kadang bisa parsial, yaitu, terbatas pada beberapa bagian dari pohon, bagian lain yang kongruen.
15
. 'arak !opologi Penn* Dan Hend*
6kuran umum yang digunakan dari perbedaan antara dua topologi pohon adalah jarak topologi 1enny dan Bendy &"#;*). 6kuran ini didasarkan pada partisi pohon, dan sama dengan dua kali jumlah cara yang berbeda dari partisi 7T6s antara dua pohon. dT 'c
&*."#)
Di mana dT adalah jarak topologi dan c adalah jumlah partisi yang mengakibatkan
divisi
yang
berbeda
dari
7T6s
di
dua
pohon
yang
dipertimbangkan. &Dalam perbandingan antara pohon bifurcating, dT selalu bahkan bulat.) 1erhatikan, misalnya, pohon+pohon di ambar *.'(. 1ohon &a) memiliki enam 7T6s dan tiga cabang internal. :ika kita partisi pohon ini di cabang ", kita memperoleh dua kelompok 7T6s? A dan 8 di satu sisi, dan 2, D, =, dan < di sisi lain. 1emotongan pohon &b) di cabang " hasil di partisi yang sama dari enam 7T6s. 1emotongan pohon &a) di cabang ' hasil dalam partisi yang sama dari 7T6s sebagai pemotongan pohon &b) di cabang >, yaitu, A, 8, =, dan < di satu sisi, dan 2 dan D di sisi lain. 1emotongan pohon &a) di cabang > hasil dalam partisi dari 7T6s yang tidak dapat diperoleh dengan memotong pohon &b) di salah satu dari tiga cabang internal. 7leh karena itu, dT ' E " '. Dalam membandingkan pohon+pohon di &a) dan &c), kita melihat bahwa tidak ada partisi di &a) yang tercermin dalam &c). 7leh karena itu, dT mencapai nilai kemungkinan maksimal nya, yaitu, dT ' E > . 7leh karena itu, kami menyimpulkan bahwa pohon &a) lebih mirip dengan pohon &b) dari pohon &c).
16
". Pohon Konsensus
1ohon yang disimpulkan dari analisis kumpulan data+data tertentu juga disebut pohon
Antara majority+rule consensus treees, yang paling umum digunakan dalam literatur adalah *$F majority+rule consensus treees. Dalam pohon ini, pola percabangan yang terjadi dengan frekuensi *$F atau lebih diadopsi. 1ada contoh
17
di ambar *.'*, posisi takson A relatif terhadap taksa 8, 2, dan D adalah sama di dua dari tiga pohon rival &Angka *.'*b dan *.'*c), sehingga pola ini diadopsi. pohon ini, oleh karena itu, berisi multifurcation tunggal. Bal ini dimungkinkan untuk mengubah persentase mayoritas+aturan untuk nilai apapun/ "$$F hasilnya akan identik dengan strict consensus tree. 1. Menilai /ea)ilitias Pohon
3ekonstruksi filogenetik adalah masalah inferensi statistik &=dwards dan 2avalli+for5a "#(). 7leh karena itu, kita harus menilai kesimpulan reabilitas filogeni dan bagian+bagian komponennya. etelah menyimpulkan pohon filogenetik, dua pertanyaan mungkin akan ditanyakan? &") 8agaimana reliabilitas dari pohon filogenetik atau, lebih khusus, yang bagian manakah dari pohon filogenetik yang terpercaya dan &') Apakah pohon filogenetik ini secara signifikan lebih baik daripada pohon filogenetik lain 6ntuk menjawab pertanyaan pertama, kita perlu menilai reabilitas cabang internal pohon. Bal ini dapat dicapai dengan beberapa metode analisis atau resampling. Dalam studi filogenetik, salah satu metode resampling, bootstrap, telah menjadi sangat populer dan akan dibahas di bagian berikutnya. 6ntuk menjawab pertanyaan kedua, kita perlu uji statistik untuk mengetahui perbedaan antara dua pohon filogenetik/ dengan kata lain,apakah pohon A secara signifikan lebih baik atau lebih buruk daripada pohon 8, ataukah perbedaan dalam harapan kesalahan acak . Bootstrap
8ootstrap adalah teknik komputasi untuk memperkirakan statistik yang mendasari distribusi yang tidak diketahui atau kesulitan untuk mendapatkan analitis &=fron "#;'). ejak diperkenalkan ke studi filogenetik oleh
teknik bootstrap
telah
sering digunakan
sebagai
sarana untuk
memperkirakan tingkat kepercayaan hipotesis filogenetik. ifat statistik dari teknik ini dalam konteks filogenetik cukup kompleks, namun studi teoritis &misalnya, Gharkikh dan Ci "##'a, b, "##*/ / Billis dan 8anteng "##>) telah menyebabkan pemahaman yang lebih baik dari teknik ini. 8ootstrap memiliki kelas metode yang disebut teknik resampling karena bisa memperkirakan distribusi sampling dengan resampling data berulang kali dari kumpulan data sampel asli.
18
gambar *.'a menggambarkan prosedur bootstrap di filogenetik. ampel data terdiri dari lima urutan selaras dari lima 7T6s. Dari data tersebut, pohon filogenetik dibangun, dalam hal ini dengan metode parsimony maksimum. 1ohon disimpulkan adalah hipotesis nol untuk diuji oleh bootstrap itu. 1erhatikan bahwa hipotesis nol khusus ini terdiri dari dua subhypotheses? &") 7T6s > dan ( milik satu clade, dan &') 7T6s ' dan * milik lain &ambar *.'b). 6ntuk memperkirakan tingkat kepercayaan subhypotheses ini, kami menghasilkan serangkaian n pseudosamples &biasanya *$$+".$$$ pseudosamples) oleh resampling situs dalam data sampel dengan penggantian. ampling dengan penggantian berarti bahwa lokasi sampel dapat disampel lagi dengan probabilitas yang sama seperti lokasi lain. Akibatnya, setiap pseudosample mungkin berisi lokasi yang diwakili beberapa kali, dan lokasi yang tidak terwakili sama sekali. !isalnya, di pseudosample " pada ambar *.'a, lokasi " diwakili empat kali, sementara lokasi > dan ( tidak terwakili. etiap pseudosample memiliki panjang selaras sama dengan sampel asli. etiap pseudosample digunakan untuk membangun sebuah pohon dengan metode yang sama digunakan untuk pohon tereka. ubhypothesis &") diberikan skor " jika 7T6s > dan ( adalah taksa adik di pohon bootstrap, namun skor $ jika tidak. skor untuk subhypothesis &') juga sama memutuskan. kor untuk masing+ masing dua subhypotheses ditambahkan untuk semua pohon n, sehingga mendapatkan nilai bootstrap untuk setiap subhypothesis. nilai bootstrap dinyatakan sebagai persentase, dan ditunjukkan di cabang+cabang internal yang
19
mendefinisikan clades &ambar *.'b). Dalam contoh khusus kami, clade yang terdiri dari 7T6s > dan ( yang didukung oleh #*F dari bootstrap bereplikasi, sementara clade yang terdiri dari 7T6s ' dan * didukung oleh hanya -$F dari bootstrap bereplikasi. ". !es 2ntuk Dua Pohon Bersaing
8eberapa tes telah dirancang untuk menguji apakah satu filogeni secara signifikan lebih baik daripada yang lain. Tes tersebut masing+masing ada tiga jenis metode
rekonstruksi
pohon
&matriks
jarak,
!aEimum
1arsimony,
dan
kemungkinan maksimum). 8erikut ini kami menyajikan sebuah tes sederhana untuk menguji pohon 1arsimony maksimal terhadap filogeni alternatif. 6ntuk metode lainnya, pembaca harus berkonsultasi 35hetsky dan Nei &"##'), Tateno et al. &"##(), dan Buelsenbeck dan 2randall &"##-). 4ishino
dan
Basegawa &"#;#) merancang
uji
parametrik untuk
membandingkan dua pohon dengan asumsi bahwa semua situs nukleotida yang independen dan setara. Tes menggunakan perbedaan jumlah substitusi nukleotida pada situs informatif antara dua pohon, D, sebagai uji statistik/ di mana D %D saya, dan Di adalah perbedaan dalam jumlah minimum substitusi nukleotida antara dua pohon di engan situs informatif. Harians sampel D adalah
di mana n adalah jumlah situs informatif. Bipotesis nol bahwa D $ dapat diuji dengan t+tes dipasangkan dengan n + " derajat kebebasan, di mana
20
Bagian & 3 Selesai Edited
H. Masalah 4ang !erkait Dengan /ekonstruksi Filogenetik
Tidak ada metode rekonstruksi filogenetik yang dapat diklaim lebih baik dari yang lain dalam segala kondisi. etiap metode rekonstruksi filogenetik memiliki kelebihan dan kekurangan, dan masing+masing metode dapat berhasil atau gagal tergantung pada sifat dari proses evolusi, yang oleh dan sebagian besarnya tidak diketahui. 8erikut ini kami akan meninjau kekuatan dan kelemahan dari metode yang berbeda dan garis besar beberapa strategi untuk meminimalkan kesalahan dalam analisis filogenetik.
. Kekuatan dan Kelemahan Ber)agai Metode
61!A bekerja dengan baik hanya jika tingkatnya terus konstan, setidaknya kurang lebih. 4euntungan utamanya adalah kecepatan tinggi dari perhitungan. Namun, algoritma cepat saat ini sudah tersedia untuk metode matriks jarak lainnya, dan 61!A jarang digunakan saat ini, kecuali untuk tujuan pedagogik. !etode pohon aditif, termasuk transformed distance method , the neighbors-relation method, dan the neighbor-joining method , bebas dari kesalahan sistematik jika data jarak memenuhi kondisi empat titik. 4inerja dari metode ini, bagaimanapun, tergantung pada metode yang digunakan untuk mengubah data tahapan karakter mentah menjadi jarak. ejauh metode yang digunakan tidak memberikan kompensasi memadai untuk beberapa pergantian pemain di situs, kinerja aditif metode pohon dapat dikompromikan. 4etika jarak kecil dan urutan yang digunakan adalah panjang, perkiraan yang cukup akurat dari jarak dapat diperoleh, dan metode ini dapat melakukan dengan baik bahkan di bawah tarif non konstan evolusi. 2atatannya bahwa jika urutan pendek, maka perkiraan jarak tunduk kesalahan statistik yang besar. elain itu, jika beberapa jarak yang besar atau jika tingkat bervariasi antara situs, maka estimasi akurat dari jarak mungkin tercapai &8ab >). Dalam setiap situasi ini, kinerja aditif metode pohon mungkin tidak baik.
21
4euntungan dari metode ini adalah bahwa waktu komputasi biasanya sangat cepat, dan mereka dapat digunakan pada nomor besar 7T6s. !etode parsimony maksimum tidak membuat asumsi eksplisit kecuali bahwa pohon yang membutuhkan substitusi lebih sedikit lebih baik dari satu yang membutuhkan lebih. 4etika tingkat perbedaan antara urutan kecil sehingga homoplasies jarang, kriteria 1arsimonya biasanya bekerja dengan baik. Namun, ketika tingkat divergensinya besar sehingga homoplasiesnya umum, metode !aEimum 1arsimony dapat menghasilkan kesimpulan filogenetik yang rusak. ecara khusus, jika beberapa urutan telah berevolusi lebih cepat dari yang lain, homoplasies cenderung terjadi lebih sering di antara cabang+cabang yang mengarah ke urutan ini dari antara lain dan 1arsimony dapat mengakibatkan pohon yang keliru. Dengan kata lain, metode parsiony maksimum mungkin berkinerja buruk setiap kali beberapa cabang pohon yang lebih lama dari cabang lain, karena kedekatan akan cenderung mengelompok cabang panjang bersama+ sama &
8eberapa strategi yang tersedia untuk meminimalkan kesalahan acak dan sistematis dalam analisis filogenetik. Namun, hal ini tidak selalu mungkin untuk mengidentifikasi sumber+sumber potensial dari kesalahan atau yang bias. 8erikut ini, kita membuat daftar beberapa anjuran dan larangan yang dapat meningkatkan peluang kami untuk memulihkan pohon filogenetik benar. 2ara terbaik untuk meminimalkan kesalahan acak adalah dengan menggunakan data dalam jumlah besar. emua hal lain dianggap sama, pohon yang didasarkan dari sejumlah besar data molekuler hampir selalu lebih handal daripada satu berdasarkan jumlah data yang lebih terbatas. 4etika urutan tidak memberikan informasi filogenetik yang cukup &misalnya, karena mereka terlalu pendek atau kurang variasi), maka metode filogenetik akan menghasilkan hasil yang masuk akan. alah satu cara untuk mengurangi kemungkinan kesalahan sistematis yang mengarah ke mis+inkonsistensi. !enghasilkan kesimpulan yang salah bahkan
22
ketika jumlah data besar+adalah dengan menggunakan model yang lebih realistis atau metode analisis yang lebih cocok dengan data. tudi filogenetik sering menggunakan urutan data dari daerah DNA yang berbeda. :ika semua daerah yang diteliti memiliki tingkat yang sama substitusi nukleotida, maka semua data dapat digabungkan menjadi satu set. Namun, jika variasi dalam tingkat ada, daerah dengan tingkat yang berbeda harus dianalisis secara terpisah, terutama ketika pendekatan matriks jarak digunakan. Dalam kasus ini, bagaimanapun, mungkin sulit untuk menggabungkan hasil dari set data yang berbeda dan untuk menilai keandalan clades dalam pohon konsensus. 4esalahan filogenetik diharapkan lebih buruk dengan jarak yang lebih besar antara 7T6s daripada dengan jarak yang lebih kecil. 7leh karena itu, memiliki banyak jarak yang jauh akan cenderung untuk mencampurkan masalah yang timbul dari panjang+cabang tarik fenomena, dan disarankan untuk menghapus cabang panjang dari analisis. 6ntuk karakter yang akan berguna dalam konteks filogenetik, itu harus informatif dan dapat diandalkan. Artinya, harus memberikan informasi evolusi benar. 8eberapa karakter yang baik informatif dan dapat diandalkan. Cainnya adalah terpercaya, tetapi mereka tidak menceritakan apa+apa yang berguna tentang hubungan filogenetik dari bunga dan dengan demikian tidak informatif. 4ategori ketiga, yang terdiri dari karakter @misinformative@, adalah yang paling bermasalah. %dentifikasi karakter tidak dapat diandalkan seperti adalah sangat penting. ebagai contoh, kita tahu bahwa metode !aEimum 1arsimony menghasilkan filogeni salah ketika ada banyak homoplasies dalam data. ejak berkembang pesat karakter cenderung menghasilkan homoplasies lebih sering daripada perlahan+lahan berkembang karakter, disarankan untuk memberikan karakter seperti berat badan lebih rendah dalam analisis. alah satu bentuk ekstrim dari pembobotan adalah penghapusan karakter seperti itu, misalnya penghapusan semua transisi di transversi kekikiran. Terakhir, kita harus menyadari bahwa pohon tereka sering mengandung kesalahan terlepas dari tindakan pencegahan yang diambil. I. Contoh Filogenetik Molekuler
23
1enerapan teknik biologi molekuler dan kemajuan dalam metodologi rekonstruksi pohon telah menyebabkan kemajuan luar biasa dalam studi filogenetik, sehingga pemahaman yang lebih baik tentang sejarah evolusi dari hampir setiap kelompok taksonomi. 1ada bagian ini kami menyajikan beberapa contoh di mana studi molekuler telah &") menyelesaikan masalah yang sudah lama, &') menyebabkan terjadinya revisi drastis dari pandangan tradisional, atau &>) menunjuk sebuah ke arah baru dalam penelitian. 8idang filogenetik molekuler maju dengan cepat, namun, dan beberapa pandangan yang disajikan di sini mungkin akhirnya akan direvisi. . Filogeni manusia dan kera
%su tentang kedekatan relatif evolusi hidup pada manusia selalu menarik ahli biologi . Darwin, misalnya, mengklaim bahwa kera Afrika, simpanse &1an) dan gorila &orilla), adalah kerabat terdekat kita, dan karenanya ia menyarankan bahwa asal+usul evolusi manusia yang dapat ditemukan di Afrika &Darwin ";-"). 1andangan Darwin tidak disukai karena berbagai alasan, dan untuk waktu yang lama taksonomis percaya bahwa genus Bomo jauh terkait dengan kera yang masih ada dan, dengan demikian, Bomo memiliki untuk famili sendiri, Bominidae. impanse, gorila, dan orangutan &1ongo), di sisi lain, biasanya ditempatkan dalam sebuah keluarga yang terpisah, 1ongidae &ambar *.' #a). The owa &Bylobates) diklasifikasikan baik secara terpisah &Bylobatidae) atau dengan 1ongidae &ambar *.'#b, lihat impson "#"). oodman &"#>) benar mengakui bahwa pengaturan yang sistematis ini merupakan antroposentris dalam mengandaikan bahwa manusia merupakan @kelas baru pembangunan filogenetik, salah satu yang Ilebih tinggiI dari pongids dan semua nilai sebelumnya lain.@ !emang, menempatkan berbagai kera menjadi satu keluarga dan manusia ke lain menyiratkan bahwa kera berbagi nenek moyang yang sama yang lebih baru dengan satu sama lain daripada dengan manusia. 4etika Bomo dimasukkan dalam clade yang sama dengan kera yang masih ada, itu biasanya dengan Asia orangutan Dengan menggunakan metode presipitasi serologi, oodman &"#') mampu menunjukkan bahwa manusia, simpanse, dan gorila merupakan clade alami &ambar *.'#d), dengan orangutan dan gibbon telah menyimpang dari kera lainnya di tanggal lebih awal. Dari data yang fiksasi microcomplement, arich dan
24
0ilson &"#-) memperkirakan waktu perbedaan antara manusia dan simpanse atau gorila menjadi seperti baru+baru ini * juta tahun yang lalu, bukan tanggal minimal "* juta tahun yang lalu, seperti yang umum diterima oleh ahli paleontologi pada saat itu waktu. ". Cetartioda%t*la dan Filogeni Sinus
Cebih dari ;$ jenis paus, lumba+lumba, dan lumba, yang membentuk ordo 2etacea, adalah yang paling menarik dan spektakuler dari semua mamalia plasenta &eutherians). !ereka memiliki sistem komunikasi yang rumit indikasi dari sebuah struktur sosial yang maju, dan sebagian fisik dari beberapa cetacea jauh melebihi dari dinosaurus terbesar. Asal 2etacea telah menjadi misteri evolusi abadi sejak Aristoteles, untuk transisi dari terrestriality ke hidup di air eksklusif diperlukan jumlah belum pernah terjadi sebelumnya dari perubahan belum terkoordinasi unik dalam banyak sistem biologi. !isalnya, 2etacea hidup yang unik di antara mamalia di benar+benar kurang hindlimbs eksternal dan berenang dengan osilasi dorsoventral dari ekor berotot. Dalam konteks filogenetik, rute morfologi unik, anatomi, dan perilaku merupakan autapomorphies untuk 2etacea, dan tidak dapat digunakan untuk menentukan afinitas filogenetik dari pesanan ini dalam pohon eutherian. ebuah hubungan antara 2etacea dan ungulata &mamalia berkuku) disarankan lebih dari satu abad yang lalu oleh ) dan
25
natans, di 1akistan oleh ingerich et al. &"##() dan Thewissen et al. &"##(), memberikan beberapa wawasan ke dalam transisi darat+air &Novacek "##(). 8ukti molekuler untuk hubungan yang erat antara 2etacea dan Artiodactyla telah meningkat sejak tahun "#;$+an. oodman et al. &"#;') menganalisa tujuh urutan protein dan menyimpulkan bahwa 2etacea adalah takson adik dari Artiodactyla. 4esimpulan menerima ini dukungan lebih lanjut dari studi tentang urutan DNA mitokondria &misalnya, %rwin et al "##"/. !ilinkovitch et al "##>/. 2ao et al "##(.). 6rutan Artiodactyla secara tradisional dibagi menjadi tiga subordo? uiformes &babi dan kuda nil), Tylopoda &unta dan llama), dan 3uminantia &rusa, rusa, jerapah, tanduk bercabang, sapi, kambing, dan domba). raur dan Biggins &"##() disimpulkan posisi filogenetik dari 2etecea dalam kaitannya dengan tiga subordo artiodaktil dengan menggunakan protein dan urutan DNA data dari sapi, unta, babi, beberapa spesies cetacean, dan outgroup. analisis filogenetik mereka menunjukkan bahwa paus tidak hanya berhubungan erat dengan artiodactyls, tetapi sangat bersarang dalam artiodaktil pohon filogenetik/ yaitu, mereka lebih erat terkait dengan beberapa anggota dari ordo Artiodactyla &misalnya, 3uminantia) dari beberapa artiodactyls yang satu sama lain. Dengan demikian, artiodactyls bukan merupakan clade monofiletik, kecuali 2etacea termasuk dalam urutan. %stilah 2etartiodactyla &!ontgelard et al. "##-) saat ini digunakan untuk clade yang terdiri dari artiodactyls dan 2etacea. #. Asal Angiospermae
Asal angiosperma &tumbuhan berbunga) dianggap @misteri keji@ oleh 2harles Darwin, dan sampai hari ini masih menjadi isu yang sangat kontroversial. bukti paleontologis menunjukkan bahwa angiosperma, yang didefinisikan secara unik oleh mereka ovula carpel tertutup dan biji, mulai memancarkan cepat di 4apur tengah &""*$$$$$$ tahun yang lalu), dan menjadi kelompok dominan dari tanaman darat sekitar #$ juta tahun yang lalu &Cidgard dan Derek "#;;). ekitar '-*.$$$ spesies angiosperma yang masih ada saat ini dijelaskan &Campiran %), membuktikan keberhasilan besar dari kelompok ini. Angiosperma umumnya diduga berasal dari tanaman biji gymnosperm+seperti &permatopsida), dan sejak spermatopsida keturunan meluas kembali ke setidaknya >-$+>;$$$$$$$ tahun
26
yang lalu &tewart "#;>/ 4enrick dan Derek "##-), ada berbagai besar waktu selama angiosperma mungkin punya awal mereka. Teori tentang kurangnya angiosperma dalam catatan fosil sebelum 2retaceous jatuh ke dalam dua tipe dasar? baik angiosperma tidak ada sampai awal 2retaceous &misalnya, Bickey dan Doyle "#--/ Doyle "#-;/ Thomas dan picer "#;-), atau pra+2retaceous angiospermae hidup di habitat sehingga tahan api untuk fosilisasi bahwa mereka tidak meninggalkan catatan &AEelrod "#*', "#-$/ Takhtajan "##). alah satu cara untuk memutuskan antara dua pandangan ini adalah untuk memperkirakan tanggal perbedaan antara monokotil &monokotil) dan dicotyledons &dikotil), dua kelas utama dari angiosperma. %ni akan memberikan kami dengan perkiraan minimal untuk usia angiosperma. Aplikasi pertama dari urutan DNA data untuk memperkirakan tanggal ini dibuat oleh !artin et al. &"#;#), yang menggunakan
urutan
pengkodean
gen
nuklir
dehidrogenase
cytostolic
gliseraldehida+>+fosfat dari tumbuhan, hewan, dan jamur. Dengan menggunakan beberapa perbedaan tanggal antara taksa hewan, dan antara tanaman, hewan dan kerajaan jamur, mereka memperkirakan laju evolusi gen ini. Dari tingkat ini, mereka disimpulkan monokotil dan garis keturunan dikotil telah menyimpang sekitar >$$+>'$$$$$$$ tahun yang lalu &!artin et al. "##>). Tanggal ini tampaknya terlalu kuno, karena fosil tumbuhan darat paling awal hanya berusia sekitar ('$ juta tahun &ensel dan Andrews "#;(), dan sehingga akan berarti bahwa
semua
tumbuhan
vaskular
&yaitu,
bryophytes,
pteridophytes,
gymnosperma, monocotydelons, dan dicotydelons) muncul dalam waktu kurang dari "$$ juta tahun setelah munculnya tanaman di darat. Namun demikian, data yang diberikan bukti asal pra+4apur angiospermae. 1endekatan
kedua
didasarkan
pada
kalibrasi
tingkat
substitusi
nonsynonymous dengan perbedaan tumbuhan lumut+angiosperma sebagai acuan &>*$+(*$$$$$$$ tahun). 1endekatan ini memberi perkiraan "*$+'$$$$$$$ tahun untuk acara perbedaan monokotil+dikotil. 1endekatan ketiga didasarkan pada kalibrasi tingkat substitusi dalam gen 3NA ribosom nuklir dengan perbedaan tanaman+hewan sebagai acuan &" miliar tahun). =stimasi diperoleh dari data ' r3NA adalah '$$+'*$$$$$$$ tahun, dan yang diperoleh dari "; r3NA adalah '$$+'"$$$$$$$ tahun.
27
Dari perkiraan ini, 0olfe et al. &"#;#a) menyarankan bahwa monokotil dan dikotil menyimpang sekitar '$$ juta tahun yang lalu, dengan ketidakpastian sekitar ($ juta tahun. Basil ini didukung oleh perkiraan dari urutan gen mitokondria dan benar+benar diurutkan genom kloroplas &oremkyn et al "##-/. Caroche et al "##*.), dan menyarankan bahwa monokotil dan dikotil mungkin telah menyimpang dalam :urassic awal. 7leh karena itu, data molekuler sangat mendukung hipotesis bahwa angiosperma ada jauh sebelum mereka menjadi menonjol dalam paleoflora terestrial. '. Arkeologi Molekuler Filogenetik
DNA adalah molekul tidak stabil yang meluruh secara spontan melalui hidrolisis dan oksidasi. 4emungkinan DNA tidak dilindungi yang masih hidup waktu lebih lama rendah, kecuali kondisi khusus ada untuk pelestariannya. perhitungan teoritis menunjukkan bahwa DNA tidak harus bertahan hidup selama lebih dari "$,$$$+"$$,$$$ tahun, dan kemudian hanya dalam bentuk yang sangat terfragmentasi &Cindahl "##>). emua catatan pemulihan DNA purba dari sumber yang dilindungi dan tidak dilindungi, seperti fosil tumbuhan !iosen &olenberg et al. "##$), tulang 2retaceous &0oodward et al. "##(), dan organisme kuning+ dimakamkan &2ano et al. "##>) sekarang telah didiskreditkan &misalnya, Austin et al "##-/ 0aldan dan 3obertson "##-/ uti J rre5 dan !arnn "##;). kekecewaan ini meskipun, informasi genetik, meskipun dalam jumlah menit, mungkin dipertahankan dalam materi biologis yang berusia "$$.$$$ tahun atau lebih muda. Bal ini memungkinkan kita untuk menggunakan teknik filogenetik molekuler pada spesies punah. DNA purba dapat dideteksi dengan pewarnaan pada gel elektroforesis dengan etidium bromida dan dengan mengamati aktivitasnya sebagai template mampu mengarahkan penggabungan nukleotida radioaktif ke DNA yang baru disintesis di hadapan polimerase DNA dan campuran primer acak. Bibridisasi dengan DNA dari spesies yang masih ada yang dianggap terkait erat dengan spesies punah yang diteliti biasanya digunakan untuk menentukan apakah DNA yang ditemukan dalam sampel berasal dari spesies dari mana sampel telah diambil atau dari sumber kontaminasi, seperti sebagai DNA bakteri.
28
Dengan menggunakan 123 kita dapat mengambil urutan tertentu DNA dari spesimen museum, seperti bahan organik yang diawetkan &terutama kulit dan otot), sisa+sisa arkeologi yang rusak parah, dan bahkan tulang &Tabel *.), dan menggunakan DNA ini untuk membangun afiliasi filogenetik dari spesies yang telah punah dan populasi. contoh penting dari studi tersebut mencakup penentuan yang Neandertal mungkin telah punah tanpa memberikan kontribusi ke kolam gen manusia modern &4rings et al. "##-), dan pemulihan DNA unik untuk !ycobacterium tuberculosisin dewasa ".$$$ tahun pra+2olumbus perempuan dari 1eru selatan &alo et al. "##().
4etika berhadapan dengan materi genetik kuno adalah penting untuk menilai apakah ada atau tidak ada perubahan postmortem dalam DNA yang telah terjadi. Dalam bersambung urutan ''#+bp dari sampel kulit "($ tahun, Biguchi et al. &"#;-) terdeteksi dua modifikasi postmortem. 4edua modifikasi yang transisi yang bisa dikaitkan dengan deaminasi postmortem dari sitosin ke urasil. 7leh karena itu, sekitar "F dari semua nukleotida dalam sampel ini telah berubah setelah kematian dan pelestarian. K. Filogeni 2ni5ersal
29
@emua makhluk hidup yang pernah hidup di bumi ini diturunkan dari satu bentuk primordial, di mana kehidupan pertama kali bernapas.@
%ni adalah
gambaran monofiletik hidup 2harles Darwin yang dicetus pada tahun ";*#. egala sesuatu yang ahli biologi telah pelajari sejak tahun ";*# mendukung kesimpulan Darwin? ada satu pohon kehidupan, satu filogeni universal yang menghubungkan manusia, bawang, jamur, jamur lendir, dan bakteri. ebelum munculnya teknik filogenetik molekuler, pertanyaan yang berkaitan dengan cabang+cabang terdalam dari pohon filogenetik yang universal bisa dijawab hanya sementara dan terlibat banyak spekulasi. Alasannya adalah bahwa memang pada tingkat morfologi, pada tingkat mikromorfologi sel+ karakternya hampir tidak ada yang sebanding &homolog) yang dapat digunakan untuk menyelesaikan hubungan evolusioner antara organisme sangat jauh terkait. 8erikut ini, kita akan survei tiga topik yang terkait dengan masalah filogeni yang universal? &") perakaran pohon yang universal &yaitu, identifikasi peristiwa percabangan pertama dalam sejarah kehidupan)/ &') kemungkinan menyimpulkan beberapa karakteristik dari nenek moyang dari semua bentuk kehidupan yang masih ada/ dan &>) asal beberapa genom &nuklir, mitokondria, dan kloroplas) dalam sel eukariotik. . Peristi$a Di5ergen%e Pertama
Dunia hidup secara tradisional telah dibagi dichotomously menjadi eukariota dan prokariota. =ukariota adalah organisme dengan inti yang berbeda dan sitoplasma. 7rganisme yang tidak memiliki didefinisikan dengan baik, inti membran tertutup disebut prokariota. Dalam klasifikasi tradisional, prokariota terdiri dari sebuah kerajaan tunggal, 8akteri, yang juga termasuk cyanobacteria, sebelumnya disebut ganggang biru+hijau. =ukariota dianggap terdiri dari sebuah kerajaan eksklusif uniseluler tunggal, 1rotista, yang mencakup organisme seperti ciliates, flagelata dan amuba/ dua kerajaan yang terdiri dari kedua organisme uniseluler dan multiseluler,
30
hubungan bakteri dengan membandingkan 3NA ribosom &r3NA) urutan dari spesies yang berbeda. 0oese dan rekan kerja datang di sebuah temuan yang sama sekali tak terduga ketika memeriksa r3NA bakteri metanogen. 7rganisme yang tidak biasa adalah anaerob wajib, yaitu, mereka hanya hidup di lingkungan bebas oksigen, seperti pabrik pengolahan limbah dan saluran usus hewan. 8akteri ini menghasilkan metana &2B () dengan reduksi karbon dioksida &27 '). !etanogen yang tanpa bakteri diragukan karena ukuran mereka, kurangnya membran nuklir, dan konten DNA rendah. Dengan demikian, mereka diharapkan lebih erat terkait dengan bakteri selain ke eukariota. Namun, dalam hal r3NA ketidaksamaan, metanogen ternyata sama+sama jauh dari kedua taksa. Atas dasar temuan ini, dan fakta bahwa metabolisme metanogen yang dianggap cocok untuk jenis atmosfer diyakini telah ada di bumi primitif &kaya 27 ', tapi hampir tanpa oksigen), 0oese dan
kelompok
archaebacterial
ditemukan
termasuk,
selain
metanogen, banyak bakteri yang hidup di lingkungan yang sangat keras &eEtremophiles), seperti thermophiles dan hyperthermophiles, yang hidup di sumber air panas pada suhu setinggi ""$ o2, dan halofili, yang sangat garam tergantung dan tumbuh di habitat seperti reat alt Cake dan Caut !ati. aat ini, archaebacteria didefinisikan oleh synapomorphy biokimia tunggal? tidak adanya asam muramic dari dinding sel mereka. 0oese dan
31
ambar *.>#. 1ohon filogenetik unrooted pada semua organisme makhluk hidup
ebuah pohon filogenetik molekuler unrooted dari semua organisme hidup ditunjukkan pada ambar *.>#. 1erhatikan bahwa dari lima kerajaan tradisional, hanya Animalia tetap terpengaruh oleh revisi molekul. :amur harus didefinisikan ulang oleh pengecualian dari taksa seperti jamur lendir, dan 1lantae dengan pengecualian dari banyak kelompok alga. %lustrasi
paling ekstrim dari
keberangkatan dari penilaian taksonomi tradisional dicontohkan oleh 1rotista+ kerajaan tunggal dalam klasifikasi+yang tradisional ternyata paraphyletic dan tersebar di seluruh pohon eucaryan. filogeni universal juga menunjukkan bahwa kerajaan Animalia bersama dengan kerajaan didefinisikan ulang 1lantae dan
32
!engidentifikasi peristiwa percabangan pertama dalam sejarah kehidupan memerlukan menemukan akar pohon kehidupan &yaitu, pohon semua organisme). 4ami mencatat, bagaimanapun, bahwa dengan definisi, pohon evolusi dari semua organisme memiliki outgroup. 1ada tahun "#;#, dua kelompok penelitian datang dengan metode cerdik untuk menyimpulkan akar pohon &ogarten et al "#;#/. %wabe et al "#;#.). %de, pertama kali diusulkan oleh chwart5 dan Dayhoff &"#-;), adalah menggunakan sepasang gen yang ada di semua organisme dan karena itu berasal dari peristiwa duplikasi gen &8ab ) yang terjadi sebelum pemisahan tiga domain. %de ini diilustrasikan pada ambar *.($.
ambar *.($. Duplikasi gen A ke dalam gen A" dan A' menuju pada > domain divergensi akan menghasilkan ' topologi identik untuk untuk dua sub+ pohon.
Dari ambar *.($, kita catat bahwa dalam merekonstruksi pohon filogenetik gen duplikat, kita harus yakin bahwa kita mengidentifikasi gen orthologous &gen yang homolog adalah karena acara spesiasi) benar. Bal ini tidak selalu mudah. ebuah solusi menarik untuk masalah ini disarankan oleh Cawson et al. &"##). Dalam studi mereka dari sintetase karbamoil fosfat, mereka mengambil keuntungan dari fakta bahwa gen untuk en5im ini berisi duplikasi kuno internal yang gen &8ab ) umum untuk semua tiga domain. 7leh karena itu, urutan digandakan tetap terhubung satu sama lain dalam orientasi yang sama, dan identifikasi urutan orthologous sepele. ". Cenan%estor
33
Nenek moyang yang diduga dari semua organisme yang masih ada disebut sebagai cenancestor &
memiliki
genom
melingkar
dengan
banyak
gen
dikelompokkan ke dalam operon. Dalam beberapa kasus bahkan dimungkinkan untuk menyimpulkan struktur operon tertentu di cenancestor tersebut. !isalnya, di =scherichiacoli ada empat operon berbeda untuk protein ribosom, yang berisi >, (, ;, dan "" gen, masing+masing. Divisi yang sama ditemukan di beberapa archaeans, dan dalam setiap contoh susunan gen tertentu dalam operon adalah sama. 4arena tidak ada alasan fungsional diketahui mengapa gen protein ribosom harus dalam urutan tertentu, itu disimpulkan bahwa operon ini juga ada di cenancestor &Doolittle dan 8rown "##(). 2enancestor memiliki setidaknya satu polimerase DNA, tiga gen yang mengkode subunit dari 3NA polymerase DNA+dependent, dan beberapa topoisomerase DNA. %tu suatu alat terjemahan rumit, dilakukan oleh dua ribosom subunit terdiri dari 3NA dan protein, dan menggunakan kode genetik universal. Bal ini, bagaimanapun, tidak mungkin untuk menyimpulkan sifat dari faktor inisiasi translasi, karena ini adalah sama dalam Archaea dan =ukarya, tetapi berbeda dalam 8akteri.
