多重序列比對

多重序列比對

多重序列比對（Multiple sequence alignment；MSA）是對三個以上的生物學序列（biological sequence），如蛋白質序列、DNA序列或RNA序列所作的序列比對。一般來說，是輸入一組假定擁有演化關係的序列。

基本介紹

  • 中文名：多重序列比對
  • 外文名：Multiple sequence alignment
  • 簡介：蛋白質序列、DNA序列
  • 提要：個別的胺基酸或核苷酸
簡介,支序分類學,支序分類方法,支序分類法分類,系統發生學,參見,

簡介

從MSA的結果可推導出序列的同源性，而種系發生關係也可引導出這些序列共同的演化始祖。如圖1所示，視覺化敘述可描繪出各種突變事件，例如：點突變的單格變化、刪除突變與插入突變等等。MSA常用來研究序列的保守性（conservation），或是蛋白質結構域的三級結構與二級結構，甚至是個別的胺基酸或核苷酸。
多重序列比對
圖1.電腦程式ClustalW。

支序分類學

支序分類學（英語：Cladistics）又稱親緣分支分類學，是一種生物分類的哲學，其指只依據演化樹分支的順序，而不參考形態上的相似性來排列物種。此一學派的主要貢獻者一般認為是德國昆蟲學家威利·漢寧根，他稱此為種系發生系統學。
分支研究的最終結果是由被稱之為“分支圖”的樹狀關係圖來描繪出其假定的關係。現代的系統學研究會收集各方面的資料，包括DNA序列、生化數據和形態學上的數據等。
在一個“分支圖”中，所有的生物體都如同一片樹葉，且每個內節點理想上都是二元（有兩條分歧）的，在此一分歧點兩端的分類群即稱為“旁系分類群”或“旁系群”。每一枝幹，不論其包含了上萬種類別或只有一種類別，都被稱做是一個分支。一個自然的類群應該會有包含在任一分支里的所有生物體，這個分支會有著屬於此一分支的唯一祖先（一個不會是此一分支外的其他生命體的祖先）。每一分支都會有一些只共同出現在分支內每一個成員上，而不會出現在其他生命體上的特徵。這些特徵稱之為衍征。例如，堅硬的前翅（鞘翅）是鞘翅目的衍征，而幼葉卷疊式－由捲曲的幼芽舒展成葉子則是蕨類植物的衍征。

支序分類方法

分支分類分析必須收集信息，並區分什麼是“一般特徵”什麼是“特殊性狀”。在以前，研究者必須區分哪些特殊性狀是共同祖先以前具有的（祖征），哪些是共同祖先單獨具有的特徵（共源性狀），要和分支以外的種群比較，只有共源性狀才能用來確定一個分支。
要確定一個分支，必須有足夠大量的共源性狀，才能說明這種特徵不是由於共同的祖征，不是由於趨同進化造成的同形相似（因為生活在同一環境，而不是因為有同一祖先造成的相似特徵）。例如鳥類和昆蟲有生活在相似的環境中都具有的翅膀（共同的特徵），但卻是沿著不同的進化路線發展的，如果將它們放到一個分支內就是錯誤的。
共源特徵確定後，要依照簡約化的原理確定之間的關係（也是一種奧卡姆剃刀原理），另外也主要也依照分子進化理論，選取最接近的分支。
現代不太容易出現由於研究者自身造成的偏差，因為一般分析都使用計算機軟體，有各種複雜的軟體可以用來分析和計算分支。
現代DNA系列的測定已經比較容易，種系發生學得到分子數據的支持。計算機系統可以處理大量的數據，能精確篩選出真正的共源特徵數據。更為有效的方法是利用染色體中的反轉座子記號。最理想的是將形態學、分子生物學、以及行為生態等種系發生學的信息結合起來，沒有一種方法是完全完美的。所有的方法都有自己的誤差，在形態學中經常發生趨同進化的錯誤，但在分子生物學中卻經常有和外在特徵衝突的現象，分子數據雖然比利用化石數據更精確，但也充滿誤差。各種方法的比較和結合，才能得到更好的結果。
親緣分支理論並不能取代所有的進化理論，只是對現有的知識進行一些修正。這種理論也可以使用到生物學以外的領域，已經套用到歷史語言學中確定語言的族屬分類，和古代文獻考訂中確定文獻派生情況等。

支序分類法分類

自從1960年代以來，生物界出現傾向用親緣分支分類法的“分支主義”，他們主張取消所有非分支的分類系統。但其他分類學家認為雖然種系發生學要套用親緣分支的技術，但分類仍然有使用傳統的門類的必要，兩種分類法都應該存在，因為不僅存在單源種系，也有同源種系。
單源種系可以套用分支，全體種系都是從一個祖先派生出來的。同源種系雖然意義相同，但其中一部分種群有獨立的進化道路，產生很大的區別。例如鳥類和爬行類具有同一祖先，但進化道路相當不同。脊椎動物和無脊椎動物也是從共同祖先演化來的，但不能分到同一類中。
此外還有多源種系，例如以前分到一類“厚皮類”中的動物象和犀牛並不是來源於同一祖先，而是各自由不同的薄皮祖先進化來的。演化分類學者認為多源在分類學中是錯誤的，如同將趨同演化的動物或同形的動物分到一類中一樣。
分支學者認為同源種系和多源種系是一樣錯誤的，單系群是依據共源性狀，可以將各種群進行客觀地分類。而同源和多源是依據外觀特徵，容易造成主觀的錯誤。但其他學者認為分支法將種群分類從“低級”向“高級”分類，容易導致目的論，目的論是在演化研究中應該避免的。
分支學者認為傳統的分類方法人為地將物種分成不同的層次，不能真正代表物種演化的實際情況，因此應該放棄林奈的分類法，全部使用簡單的親緣分支層次。
而其他有不同意見的學者認為所有的分類方法都是人為的，都有主觀因素在內，所有物種都是在持續不斷地演化，任何分類劃分都是人為製造前半部單一起源，後半部同源發展，在樹形結構的早期就套用同源分類是必要的。例如發展成為靈長類的早期脊椎動物不能放到任何單源分支中。他們還認為同源分類提供了生物形態、生態即生命演化歷史中重要變化的信息。也就是說傳統分類和分支分類都很有價值，但在不同方面是為不同目的而起作用。

系統發生學

系統發生學（希臘語：φυλογένεση，希臘語：φύλο，現代希臘語：fílo- 種系，性別和γεννήση，現代希臘語：jénnissi- 新生，誕生。英語：Phylogenetics，又稱系統發育學，簡稱為譜系學）是指在地球歷史發展過程中生物種系的發生和發展。
這個概念不單止用於動物種系的發生與發展，還會用在系統學各個層面的分類單元上面。它也會被用到某一特徵的在生物發育過程中的進化這一方面。
系統發生學的研究是通過以下的手段實現的：
通過這些數據，人們就可以為生物建立一棵系統發生學樹（演化樹），其中描述了各個物種之間可能有的親緣關係。
系統發生學研究的最大困難是，系統發生學的進化過程是不能被直接通過觀察和實驗被證實的。所以各個方面的證據都要被綜合起來分析。由於對這些證據的側重不同，會經常造成有多個不同的演化樹版本，例如原口類動物的幾個門究竟是歸到蛻皮動物（來自遺傳學方面的證據）還是觸手動物（形態學方面的證據）。
特徵分為同源和同功兩種。
  • 同源，例如同源器官或是同源的行為方式，會顯示出相同的軀體基本構造，因為環境的不同而進化成不同的外形或功能。同源器官的外形和功能可以相差很大。一個很好的例子就是脊椎動物的前肢。它們可以成為足，翅膀（鳥、翼龍、蝙蝠），鰭（魚、企鵝、魚龍、鯨），手（人類、猿和一些恐龍），挖掘工具（田鼠、裸濱鼠、袋鼴)。但其骨骼構造卻是相似的。這些相似性只能用系統發生學的理論去解釋。
同源特徵證實了物種間的親緣關係，是重構進化樹的有力手段。同源現象在生物學中可以進一步分為直系同源（直系同源是指在不同物種中的某一基因來自同一祖先）和旁系同源（種系間的基因複製） 。

參見

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