Evrimsel İlişkiler Nasıl Tespit Edilir?

Bilim insanları, organizmalar arasında evrimsel ilişkiler kurmalarını sağlayan bilgiler toplar ve tıpkı bir dedektif gibi belirli kanıtlara dayanarak gerçekleri açığa çıkarır. Filogeni alanındaki evrim incelemeleri, morfolojik (biçim ve işlev) ve genetik olmak üzere iki tür kanıta odaklanır.

Benzerliğin İki Ölçütü

Benzer fiziksel özellikler ve genetik diziler paylaşan organizmalar, bu benzerlikleri içermeyen türlere kıyasla daha yakın akrabalar olma eğilimindedir. Hem morfolojik, hem genetik açıdan benzer özellikler homolog yapılar olarak adlandırılmaktadır. Bu yapıların benzerliği, yapıları barındıran türlerin ortak bir evrimsel geçmişe sahip olmasından kaynaklanır. Örneğin aşağıdaki şekilde de gösterildiği gibi yarasaların ve kuşların kanatları, insanların kolları ve atların ön bacakları, homolog yapılardır. Bahsi geçen yapıların tek bir kemikten oluşmadığı; şekil ve boyut bakımlarından farklı olmasına karşın birkaç kemik grubunun benzer bir düzende bulunduğuna dikkat ediniz.

S. Hillebrand, ISFWS; U. S. BLM

V. Kankariya; Wikimedia Commons

Wikimedia Commons

Dış Görünüş Yanıltıcı Olabilir!

Bazı türler, çok yakın akraba olabilir. Ancak son derece küçük bir genetik değişiklik, büyük bir morfolojik fark yaratarak bu iki akrabadan birinin çok daha farklı bir görünüş kazanmasına sebep olmuş olabilir. Örneğin aşağıdaki şekilde kafatasları gösterilen şempanze ve insanlar, genetik bakımdan birbirlerine oldukça benzerdir ve genlerinin %99'u ortaktır.^[1] Ancak insanlar ve şempanzeler, iskelet açısından karşılaştırıldıklarında, yetişkin bireylerde çenenin ne kadar öne çıktığı, vücuda oranla kol ve bacak uzunlukları gibi farklar da dahil olmak üzere bu türlerin kayda değer ölçüde anatomik farklılıklara sahip oldukları görülür.

Pastorius, Wikimedia Commons

Tabi doğada bunun tam tersi de görülmektedir. Bazı türler, çok uzak akrabalık ilişkilerine sahip olmalarına karşın birbirlerine çok benzer görünümde olabilir. Bunun bir açıklaması, iki türün de benzer çevresel etkiler altında benzer özelliklerin evrimine sahne olmasıdır. Örneğin birçok balık ve balina türlerinde, balinalar memeli olmasına rağmen, su içinde süzülmeyi kolaylaştıracak bir vücut yapısı, yüzgeçler, diğer vücut bölümleri ve kuyruk yapıları yüzeysel düzeyde birbirine benzerdir; zira bu özellikler aynı çevresel baskı, yani suda hareket etme ve manevra yapma baskısı çerçevesinde evrimleşmiştir.

Balinalar ve balıklar, yarasalar ve kuşlar gibi tür çiftlerindeki bu benzer özelliklere ve anatomik yapılara homolog yapılar adı verilir. Bu özellikler, birbirleriyle olan benzerliklerini yakın akrabalık ilişkilerine değil, yakınsak evrime borçludur. Örneğin böcekler de, yarasalar da, kuşlar da kanatlı varlıklardır. Bizler de, bu türlerdeki kanat benzeri yapıların tamamına, aynı işlevi yerine getirmeleri ve yüzeysel olarak benzer biçimlere sahip olmaları sebebiyle kanat deriz. Bununla beraber, kanatların gelişiminde (embriyogenez) gözlemlenen farklar, böceklerin, kuşların ve yarasaların kanatlı bir ortak ata paylaşmadıklarını gösterir. Aşağıdaki görselde gösterilen kanat yapıları, iki ayrı soy ağacında birbirinden bağımsız olarak evrimleşmiştir.

Benzer özellikler homolog veya analog olabilir. Homolog yapılar, ilgili yapının geliştiği bir evrimsel geçmişi paylaşan türlerde bulunur; analog yapılar ise ortak bir geçmişi paylaşmazlar. Yani incelenen özellik veya yapı, yüzeysel düzeyde ne kadar bir başka özelliğe veya yapıya benzerse benzesin, benzer seçilim baskıları çerçevesinde benzediği özellikten farklı bir şekilde evrimleşmiştir. Bilim insanları da incelenen organizmaların filogenisine ışık tutmak için önce bir özelliğin homolog mu olduğunu, analog mu olduğunu belirlemelidir.

(a) U.S. BLM; (b) S. Hillebrand, USFWS; (c) J. Sullivan

Moleküler Düzeyde Karşılaştırmalar

DNA teknolojisinin ilerlemesiyle birlikte, DNA dizilimi de dahil olmak üzere moleküler düzeyde bilgilerin nasıl kullanıldığına ışık tutan moleküler sistematik alanı da gelişmiştir. Bir proteinin amino-asit dizilimindeki farklılıkları, bir genin tek tek nükleotid dizilimindeki farklılıkları veya genlerin düzenlemelerindeki farklılıkları da içeren moleküler karakterler çerçevesinde yapılan yeni analizler, bu teknolojilerin gelişiminden önce yapılan sınıflandırmaları doğrulamakla kalmamakta, hatalı sınıflandırmaları da ortaya çıkarmaktadır.

Moleküler karakterlerin temel alındığı filogenilerde incelenen iki organizmanın DNA dizileri birbirine ne kadar benzerse, iki organizmanın o kadar yakın akraba olduğu varsayılır. Farklı genler evrimsel olarak farklı hızlarda değişir ve bu hız da iki tür arasındaki akrabalık ilişkilerinin nasıl belirlendiğini etkiler. Hızla evrimleşen diziler, yakın akraba türler arasındaki ilişkileri belirlemek için kullanılır; daha yavaş evrimleşen diziler ise uzak akraba türler arasındaki ilişkileri belirlemek için kullanılır. Örneğin ökaryotlar ve arkeler gibi çok farklı türler arasındaki ilişkileri belirlemek için kullanılan genler, ribozomal RNA genleri gibi her iki grupta da bulunan ve çok eski, yavaş evrimleşen genler olmalıdır. İncelenen türler arasındaki akrabalık ilişkilerinin bir sağlaması, farklı diziler kullanarak filogenetik ağaçları karşılaştırma yoluyla yapılabilir.

Bazen uzak akraba organizmalardaki iki DNA dizisi, şans eseri belirli bölgelerde yüksek oranda baz paylaşabilir. Böylesi bir durum da incelenen organizmaların akraba olmadıkları halde yakın akraba olarak görünmelerine neden olur. Örneğin, meyve sineği ile insan DNA'ları %60 oranında benzerdir.^[2] Bu tür karışıklıkları önlemek amacıyla bilgisayar tabanlı istatiksel algoritmalar geliştirilmiştir ve filogeninin belirlenmesinde hem morfolojik, hem moleküler bilgilerden faydalanılmaktadır.

Evrim İş Başında! Filogeni Neden Önemlidir?

Filogenetik analiz, kendi türümüz dahil olmak üzere türlerin evrimsel geçmişine ilişkin kavrayışımızı artırmanın yanında birçok pratik kullanıma da sahiptir. Örneğin filogenetik analiz, hastalıkların evrimi ve yayılması konusuna da ışık tutarak koruma çabaları dahilinde alınan kararlara katkıda bulunmaktadır. Örneğin antibiyotiklere dirençli patojenik bir bakteri olan MRSA (metisilin dirençli Staphylococcus aureus) üzerine 2010 yılında yapılan bir çalışmada son 40 yıl boyunca bu türün kökenini ve yayılımı izlenmiş; dirençli türün Avrupa'daki çıkış noktasından Güney Amerika, Asya, Kuzey Amerika ve Avustralasya'daki enfeksiyon ve evrim merkezlerine taşınma zamanlaması ve modelleri oluşturulmuştur.^[3] Çalışmada edinilen bir başka bulgu da bakterinin insanlara doğal yollarla çok az, belki yalnızca bir defa bulaştığını; ardından bulaştığı bireylerden yayıldığını öne sürmektedir. Bu da, çok sayıda bireyin bakteriyi bir yerden alıp bir başka yere taşımış olması ihtimaliyle çelişmektedir. Bu bilgiler ışığında halk sağlığı yetkilileri, bakterinin yayılımını önlemek adına hasta bireylere temaslı kişilerin derhal tespit edilmesi gerektiğine kanaat getirmiştir.

Filogenetik analizin yararlı olduğu ikinci bir alan da koruma biyolojisidir. Biyologlar, filogenetik ağaçların sadece bir dalındaki türler yerine ağacın tamamındaki türleri korumanın daha uygun savunur. Ağacın tamamındaki türleri korumak, ağacın içerdiği tür varyasyonunun daha iyi bir şekilde korunmasını sağlayabilmektedir. Bu bağlamda koruma çabaları, örneğin yakın bir tarihte türleşmiş çok sayıda kardeş türe sahip bir tür yerine kardeş türlere sahip olmayan tek bir türü korumaya odaklanmalıdır. Zira evrimsel bağlamda farklı özellikler taşıyan tek bir türün soyu tükenirse ağacın tümündeki varyasyon miktarı orantısız şekilde azalacaktır; buna karşın yakın akraba türler kümesindeki bir türün soyunun tükenmesi, varyasyon bağlamında büyük bir etki yaratmaz.

2007 yılında yayınlanan bir çalışmada, akrabalar arasındaki mesafeler ve yok olma tehdidi göz önünde bulundurularak küresel ölçekte memeli türlerinin korunmasına yönelik çeşitli öneriler getirilmiştir.^[4] Bu öneriler, yalnızca türün karşı karşıya olduğu yok olma riskinin temel alındığı önceliklendirme çalışmalarından farklıdır ve çalışma kapsamında orangutan, dev ve küçük pandalar, Afrika ve Asya filleri gibi tehdit altında ve değerli büyük memelilerin yanında bir dizi kemirgen, yarasa, kır fareleri ve kirpiler gibi daha az bilinen bazı türlerin de evrimsel farkları sebebiyle koruma altına alınması önerilmektedir.

Buna ek olarak, geyik faresi ve bazı gerbil türleri de dahil olmak üzere evrimsel çeşitlilik açısından çok büyük önem arz etmeyen, ancak kritik tehlike altında olan türler de vardır. Koruma alanında alınan kararlar birçok kriterden etkilenmektedir; ancak filogenetik çeşitliliğin korunması, evrim ile türemiş çeşitliliğin korunmasına yönelik objektif bir bakış açısı getirmektedir.

Filogenetik Ağaçlar

Bilim insanları, filogenetik ağaçları nasıl oluşturur? Günümüzde filogenetik ağaçların oluşturulmasında kullanılan en yaygın yöntem, kladistik adı verilen bir yöntemdir. Bu metod çerçevesinde organizmalar, akrabalık dereceleri ve türedikleri ata göz önünde bulundurularak kladlar adı verilen gruplara ayrılır. Örneğin aşağıdaki şekilde gölgeli bölgede gösterilen tüm türler, amniyotik yumurtaları olan tek bir atadan evrimleşmiştir. Dolayısıyla bu organizmaların tümü, amniyotik yumurtalara sahiptir ve monofiletik grup olarak da adlandırılan tek bir klad oluştururlar. Kladlar, bir dalın başından başlayarak tüm ataları ve torunları içermelidir.

Libre Texts

Kladlar, referans alınan dala göre büyüyebilir veya küçülebilir. Bu bağlamda göz önünde bulundurulması gereken faktör, klad veya monofiletik gruba dahil edilen tüm organizmaların tek bir dalda birleşmesi gerekliliğidir.

Paylaşılan Özellikler

Kladistik üç varsayıma dayanır. Birincisi, canlıların ortak bir atadan türeme yoluyla akraba olduklarıdır ki bu, evrimin temel dayanaklarından da birisidir. İkincisi, türleşmenin bir türün bir noktada yalnızca ikiye ayrılmasıyla gerçekleştiği varsayımıdır. Bu varsayım, biyologlar tarafından genel kabul görmesine karşın biraz tartışmalıdır, zira türleşmeyi basite indirger. Üçüncü varsayım ise incelenen özelliklerin zaman içinde farklı bir özellik olarak kabul edileceği düzeyde değiştiği varsayımıdır.

Bu varsayımlara ek bir başka varsayım da bir özelliğin değişim doğrultusunun belirlenebileceği varsayımıdır. Yani bir başka deyişle, yukarıdaki örnek çerçevesinde amniyotik yumurtaların, amniyotik olmayan yumurtaların devamında türemiş bir özellik olduğu varsayılır. Bu fenomen, özellik değişiminin kutupsallığı olarak adlandırılmaktadır ve klad dışı bir grubun referans alınmasıyla belirlenir. Örneğin, böceklerin yumurtaları amniyotik yapıda değildir; dolayısıyla amniyotik olmayan yumurtalar, daha eski bir özelliktir. Örneğimiz temelinde kertenkele, tavşan ve insanlar iç grubu oluşturmakta; batrak, bofa balığı ve balık ise dış grubu oluşturmaktadır. Dış grup, analizimize konu olan iç gruptan önceki bir tarihte ayrılmıştır. İç grup üyelerinin barındırdığı özellikleri birbirleri arasında karşılaştırarak ve ardından iç grubu dış grupla karşılaştırarak hangi özelliklerin evrimsel değişimler olduğunu; dolayısıyla iç grubun filogenisinin dallanma noktalarını belirleyebiliriz.

Eğer bir özellik, bir grubun tüm üyelerinde bulunuyorsa bu özellik ortak bir atasal özelliktir; zira kladın her bir üyesi, ana daldan evrimleşirken özellik, kayda değer bir değişikliğe uğramadan kalıtılmıştır. Bu özellikler, kladı bir araya getiren özellikler olarak faydalıdır; ancak incelenen özelliğin klad üyelerinde büyük oranda aynı olması, kladistik çerçevede klad üyeleri arasındaki ilişkileri belirleme çabalarını zorlaştırmaktadır.

Buna karşın, yukarıdaki şekilde paylaşılan amniyotik yumurta özelliği, ayırıcı bir faktör olarak karşımıza çıkmaktadır. İncelenen organizmalar arasında yalnızca bazıları bu özelliğe sahiptir ve özellik, özelliğe sahip olan bireyler için "paylaşılan türemiş özelliktir". Bu bağlamda ayırıcı faktörler, kladın üyeleri arasındaki ilişkiler hakkında bize bir şeyler söylemektedir. Örneğin örneğimiz bağlamda ayırıcı faktör olarak amniyotik yumurtalar belirlendiğinde kertenkelelerin, tavşanların ve insanların balıklar, bofa balıkları ve batraklardan daha yakın gruplandırıldığı görülmektedir.

Bir özelliğin "kalıtılmış", "atasal" veya "türemiş" olması, filogenetik ağacın neresinden baktığımıza göre değişmektedir. Örneğin günümüze daha yakın bir dalda atasal veya kalıtılmış olarak kabul edilebilecek bir özellik, daha uzak bir dalda türemiş olarak değerlendirilir. Bilim insanları bu terimleri filogenetik ağaçların oluşturulması sırasında kümeler arasında ayrımlara giderken faydalı bulmaktadır, ancak anlamlarının bu çerçevede bağlam ile belirlendiğini unutmamak önemlidir.

Doğru İlişkileri Seçmek

Özellik verilerine dayanarak bir filogenetik ağaç veya kladogram oluşturmak, genellikle bilgisayarlar ile yapılan, çok büyük verilerin derlendiği görevlerdir. Bilgisayar, tüm kladların kalıtılmış özelliklerinin takip edilebildiği bir ağaç çizer; ancak kapsamlı bir ağaç oluşturmak, birçok karar almayı gerektirir. Örneğin bir klad içinde bulunan bir türün bir özelliği hariç tüm diğer özellikleri kalıtılmışsa ne olur? Bu sorunun muhtemel bir cevabı, özelliğin atada evrimleştiği, ancak ilgili türde tersine evrimle yok olduğudur. Bunun yanında bir özellik, iki ayrı kladda bulunuyorsa bu özelliğin iki ayrı soyda farklı şekillerde evrimleştiğini varsaymak gerekir. Bu tür tutarsızlıklar özellik verilerine bakılarak çizilen ağaçlarda yaygın olarak karşımıza çıkmaktadır ve "taksonlar arasındaki ilişkilerin en doğru ifadesine" yönelik karar alım süreçlerini zorlaştırmaktadır.

Bilim insanları, "en iyi ağacı" oluşturmak için genellikle maksimum parsimoni adı verilen bir ilkeye başvururlar. Maksimum parsimoni ilkesi, tıpkı Occam'ın Usturası gibi olayların en basit ve en açık şekliyle gerçekleştiğini öne sürer. Dolayısıyla bu ilke takip edilerek belirlenen bir ağaç da en az tersine evrimi, en az birbirinden bağımsız evrimleşmiş özellikleri ve en az ağaç boyu değişimleri içeren ağaç olacaktır. Bilgisayar programları, bu ilke çerçevesinde tüm mümkün ağaç kombinasyonlarını değerlendirerek en basit evrimsel yolaklara sahip az sayıda ağacı belirler. Bilim insanları da bir grup organizmada homolog özelliklerden başlayarak bu özelliklerin evrimleşmesine sebep olmuş olaylar sırasını en basit ve açık haliyle bulabilirler.

Bu araçlar ve kavramlar, bilim insanlarının Dünya'daki yaşamın evrimsel tarihine ışık tutmak için kullandıkları stratejilerden yalnızca birkaçıdır. Yeni teknolojiler, son zamanlarda insanların mantarlarla, mantarların bitkilerle olduğundan daha yakın bir akrabalık ilişkisi içerisinde olması gibi beklenmedik ilişkiler içeren şaşırtıcı keşifleri ortaya çıkarmıştır. Bu elbette kulağa inanılmaz geliyor. DNA dizileri hakkındaki bilgiler arttıkça, bilim insanları Dünya'daki tüm yaşamın evrimsel tarihini haritalandırmaya daha da yaklaşacak.

Özet

Filogenetik ağaçlar çizmek için bilim insanları, öncelikle organizmalar arasında evrimsel ilişkiler kurabilmek amacıyla inceledikleri türlere yönelik özellik bilgilerini toplamalıdır.

Morfolojik ve moleküler düzeydeki verilere dayanarak homolog özellikler ve genler belirlenir.

Organizmalar arasındaki benzerlikler, ortak bir evrimsel geçmişe dayanabilir veya ilgili benzerlik, iki türde de birbirinden bağımsız bir şekilde evrimleşmiş olabilir. Özellik, ortak bir geçmişe dayanıyorsa yapı homolog, ortak bir geçmiş paylaşmıyorsa analogdur.

Homologluk bilgisi belirlendikten sonra bilim insanları, kladistik adı verilen disipline başvurarak evrimsel bir zaman çizgisi çekerler. Bunun ardından olayların, en akla yatkın gerçekleşme sırasının muhtemelen en kısa ve en basit yol olacağını ifade eden maksimum parsimoni ilkesine başvurulur. Evrimsel olaylarda ise bu, eldeki kanıtlarla tutarlı olan tüm ağaçlar arasından en az büyük ayrıma sahip olan ağaçtır.