学习指南

核心：生物的分类与支序分类学

IB 生物学 高级水平· 主题 D：延续与变化，第 4 单元· 5 分钟阅读

1. 现代分类：三域系统★★☆☆☆⏱ 15 min

📘 定义

三域系统

由卡尔·沃斯基于核糖体RNA序列数据提出的分类系统，将所有生物分为三个演化上独立的演化支：细菌、古菌和真核生物

例:

古菌与真核生物的亲缘关系比与细菌更近，尽管古菌和细菌都是原核生物

在分子数据得到广泛应用之前，生物学家使用五界系统，将所有原核生物归为一个界。核糖体RNA测序表明原核生物分为两个演化上差异巨大的类群，因此五界系统已不适合现代分类。

📐 例题

一名研究人员对两个未知原核样本的16S rRNA基因进行测序。样本1与大肠杆菌E. coli（细菌）的序列一致性为92%，与产甲烷球菌Methanococcus（古菌）为71%，与酵母（真核生物）为69%。样本2与产甲烷球菌的一致性为89%，与大肠杆菌为70%，与酵母为72%。对两个样本进行分类。

  1. 1

    16S rRNA是高度保守的，因此序列一致性越高代表演化亲缘关系越近

  2. 2

    样本1与大肠杆菌（细菌）的一致性最高，因此将其归类为细菌域

  3. 3

    样本2与产甲烷球菌（古菌）的一致性最高，因此将其归类为古菌域

2. 演化支与支序分类原理★★★☆☆⏱ 20 min

📘 定义

演化支

包含一个共同祖先及其所有后代的单系类群，是支序分类的基本单位。

例:

哺乳动物构成一个有效的演化支，因为所有哺乳动物都源自同一个共同祖先物种

支序分类学基于共有衍征（共衍征）而非整体形态相似性对生物进行分组。共有祖征（继承自远祖的性状）或同功性状（通过趋同演化独立产生）不用于定义演化支，因为它们不能反映近期的共同祖先关系。

📐 例题

四个物种具有以下性状：物种1：无毒液，有毛发，胎生；物种2：有毒液，有毛发，卵生；物种3：无毒液，有鳞片，卵生；物种4：无毒液，有毛发，卵生。哪三个物种构成一个演化支？

  1. 1
    1. 识别共衍征：毛发是哺乳动物特有的衍征，其他类群没有该性状
  2. 2
    1. 物种1、2、4都有毛发，该性状遗传自共同的哺乳动物祖先
  3. 3
    1. 物种3没有毛发，因此不属于哺乳动物演化支
  4. 4

    答案：物种1、2、4构成哺乳动物演化支

3. 构建与解读支序图★★★★☆⏱ 25 min

支序图是一种分支图，其中每个节点（分支点）代表一个共同祖先。现代支序图最常使用分子序列数据（DNA、RNA或氨基酸）：序列差异越大，意味着两个支系从共同祖先分化后经过的时间越长。

📐 例题

根据四个物种之间细胞色素c的氨基酸差异数，排列它们的亲缘关系：人 vs 黑猩猩：0；人 vs 小鼠：9；人 vs 鸡：13；黑猩猩 vs 小鼠：9；黑猩猩 vs 鸡：13；小鼠 vs 鸡：11。画出该支序图的分支顺序。

  1. 1
    1. 差异越少代表演化亲缘关系越近，因为差异会随时间积累
  2. 2
    1. 人和黑猩猩的差异为0，因此二者是亲缘关系最近的类群
  3. 3
    1. 这一对与小鼠的差异为9，因此小鼠是下一个从该支系分化出去的类群
  4. 4
    1. 鸡与这三者的差异最大，因此在支序图的基部就分化出去
  5. 5

    最终分支顺序（从根到顶）：鸡 → 小鼠 → (人，黑猩猩)

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检验你对支序图结构的理解

  1. 支序图上的节点代表什么？

    • 已灭绝的无关外类群

    • 两个支系最近的共同祖先

    • 现存物种

    • 突变率最高点

    显示答案
    1 —

    正确！每个节点都代表两个分化支系共同的祖先，两个支系都是从该祖先演化而来。

4. 生物的重新分类★★★☆☆⏱ 15 min

当获得新的分子证据后，生物通常会被重新分类，以反映其真实的演化关系。重新分类是为了确保所有分类群都是单系的（即都是有效的演化支）。一个被广泛研究的例子是玄参科（Scrophulariaceae）的重新分类：基于DNA证据，该科被拆分为五个独立的科。

📐 例题

传统分类将鸟类单独列为一个纲，为什么现代生物学家将鸟类归入爬行类演化支？

  1. 1
    1. 支序分类学要求所有分类群都是单系的（包含共同祖先的所有后代）
  2. 2
    1. 传统爬行类（蜥蜴、鳄鱼、龟、蛇）的共同祖先也演化出了鸟类
  3. 3
    1. 如果排除鸟类，爬行纲就成为并系群（不包含共同祖先的所有后代）
  4. 4
    1. 因此，为了保证爬行类是单系群，现代分类将鸟类归入爬行类演化支

5. 常见陷阱

错误做法:

根据同功性状分组来构建演化支

原因:

同功性状是通过趋同演化独立产生的，不能代表共同祖先关系

正确做法:

使用共衍同源性状或分子序列相似性来定义演化支

错误做法:

认为所有支序图的分支长度都按演化时间比例缩放

原因:

IB生物学的大多数基础支序图仅展示分支顺序，不代表时间。只有系统发育树才会明确标注代表时间的分支长度

正确做法:

除非明确说明有时间缩放，否则标准支序图仅解读分支顺序

错误做法:

主张五界系统是公认的现代分类系统

原因:

分子证据证实原核生物分为两个不同的域，因此五界系统已经过时

正确做法:

在IB生物学考试中，所有分类相关题目都使用三域系统作答

错误做法:

将支序图基部的基部分支视为'更低等/演化程度更低'

原因:

所有现存支系从根部共同祖先开始，演化的时间长度相同

正确做法:

仅解读分支顺序，不要从生物在支序图上的位置推断其演化程度高低

6. 速查表

术语

定义

考试要点

三域

细菌、古菌、真核生物

古菌与真核生物的亲缘关系比与细菌更近

演化支

共同祖先 + 所有后代

所有有效的分类群都必须是演化支

共衍征

共有衍征

只有该类性状可用于对生物分组

支序图节点

最近共同祖先

解读题的核心概念

重新分类

根据新数据更新分类群

是演化理论的有力证据

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

  • 2023 · 1

    根据DNA序列数据构建支序图

  • 2022 · 2

    比较不同分类系统

  • 2021 · 1

    在给定支序图上识别演化支

深入阅读

下一步

理解如何根据演化关系对生物进行分类，为研究宏演化、物种形成和全球生物多样性奠定了关键基础。本子主题强化了核心观点：地球上所有生命都通过共同祖先相互关联，并展示了新的科学数据如何修正我们对演化史的认知。支序分类学也是现代保护生物学的基础：识别独特的演化支有助于确定优先保护的物种。这直接关联了生物系统中延续与变化这一更广主题。