Gatunki biologiczne łączone są w jednostki taksonomiczne
Procesy ewolucyjne, które rozpatrywaliśmy w poprzednich paragrafach, stworzyły ogromną różnorodność organizmów żywych zasiedlających Ziemię. Uczeni niejedno--krotnie podejmowali się prób usystematyzowania organizmów żywych, wyodrębniając gatunki, a potem łącząc je w większe taksony - jednostki systematyczne. Dla ułatwienia opisu opracowano hierarchię jednostek taksonomicznych. Historycznie powstały dwa systemy hierarchiczne - biologiczny i zoologiczny, które rozwijały się równolegle. Opracowanie tych systemów rozpoczęło się, kiedy botanika i zoologia były oddzielnymi niezależnymi dyscyplinami, zanim biologia stała się jednolitą nauką. W tabeli 47.1 ukazano porównanie hierarchii taksonów w botanice i zoologii na przykładzie słonecznika jednorocznego i zgrzytnicy (kózkowate) (ryc. 47.1).
Tabela 47.1. Porównanie hierarchii jednostek taksonomicznych roślin i zwierząt
Z początku całą różnorodność organizmów biologicznych dzielono na dwa królestwa: Rośliny i Zwierzęta, później do nich dodano królestwo Grzyby. Odkrycie przez Leeuwenhoek'a mikroorganizmów znacznie rozszerzyło już znaną uczonym różnorodność organizmów, jednak pierwsi badacze starali się nie zakłócać ustalonej klasyfikacji i zaliczali nowoodkryte organizmy do któregoś z istniejących już królestw na podstawie ich ruchliwości i zdolności do fotosyntezy. Dalszy rozwój mikroskopii pozwolił wyjawić znaczne różnice w budowie komórkowej mikroorganizmów, a co najważniejsze - podzielić całą bioróżnorodność na dwie grupy - prokariotów i eukario-tów - na podstawie ważnej cechy: obecności lub braku jądra komórkowego. Zanim jednak przejdziemy do opisu współczesnego poglądu na bioróżnorodność, zwróćmy uwagę na jedno bardzo ważne zagadnienie.
Sztuczna klasyfikacja systematyzuje organizmy według dowolnie wybranych cech
Jaki jest cel systematyki? Systematyzować organizmy można w różnym celu, a więc wykorzystując różne kryteria. Możemy dzielić organizmy na jadalne i niejadal
ne, takie, które zjeść można, ale nie całkowicie lub takie, które można zjeść, ale do tego potrzebna jest specjalna obróbka. Kryteriów dla systematyki jest wiele, więc klasyfikacji również jest bezlicz. Klasyfikacje oparte na dowolnie wybranych cechach są sztuczne.
Jaki więc jest cel klasyfikacji, którą tworzą dla swojej pracy biolodzy - systematycy?
Wyobraźmy sobie biologa ukraińskiego, który po raz pierwszy trafił do Brazylii i nie zna bardzo dobrze1 jej świata żywego.
Znalazłszy jakiegoś owada, chce dowiedzieć się o sposobie jego życia. On może po prostu znaleźć opis tego owada dokonany przez poprzednich badaczy, ale w tym celu on powinien określić, do jakiego gatunku biologicznego on należy. Szukanie owada „według obrazków” nie będzie skuteczne, bo przedstawiciele tej klasy są bardzo różnorodni. Musi więc skorzystać ze specjalnego poradnika - klucza (klasyfikatora), który zawiera efektywny algorytm okeślania gatunków na podstawie podwójnych twierdzeń - zasady dychotomicznej2.
1 Nic dziwnego! Według obliczeń uczonych mieszka tam 25% bioróżnorodności całej planety.
2 Od gr. dichotomos - przecięty na dwie części, czyli na każdym etapie są dwa warianty.
3 Zdarza Sie, że na jednym z etapów określania okazuje się, że opis organizmu nie odpowiada twierdzeniu ani w tezie, ani w antytezie. Mamy na to trzy przyczyny. Najbardziej rozpowszechniona - w trakcie określania popełniono błąd, a więc należy powrócić do poprzednich etapów i rozpocząć od nowa. Druga - klucz, który masz, jest niedokładny i opisywanego gatunku w nim nie ma. I w końcu najrzadsza i najbardziej nieprawdopodobna przyczyna - odkryłeś nowy gatunek!
Ta zasada jest bardzo prosta: z początku podaje się jakieś twierdzenie o cechach gatunku - teza. To twierdzenie może dotyczyć zarówno wyglądu zewnętrznego organizmu (ilość szczecinek na drugim segmencie odnoża u owada czy kształt pylników u roślin), jak i jego właściwości biochemicznych i fizjologicznych (zabarwienie owocnika jakimś barwnikiem, zdolność bakterii do rośnięcia w środowisku o określonym składzie chemicznym). Jeżeli cechy organizmu odpowiadają danemu twierdzeniu, to badacz zgadza się z nim i przechodzi da następnego twierdzenia. Jeżeli opis nie odpowiada twierdzeniu, badacz powinien przejść do przeciwstawnej mu antytezy. Antyteza zwykle nie jest przeciwstawna tezie. To jest po prostu inny opis, który uruchamia nowy łańcuszek tez i antytez3. Na ryc. 47. 2 podano zasadę działania takiego klucza.
Taki algorytm tworzy schemat dychotomiczny, co też jest klasyfikacją. Celem takiej klasyfikacji było zbudowanie algorytmu do wyznaczania określonego gatunku organizmów żywych. Ona jest bardzo dogodna, można ją zastosowywać na różnych poziomach organizacji żywej materii. Bez trudu znajdziesz dychotomiczny schemat w kluczu zwierząt Kazachstanu, kluczu tęgopokrywych Ameryki Południowej, kluczu grzybów glebowych oraz w kanonicznym, niejednokrotnie wydawanym ponownie kluczu bakterii Bergey'a.
Ten sposób klasyfikacji ma dwie ważne cechy: po pierwsze taki algorytm tworzy schemat dychotomiczny, rozgałęzione drzewo; po drugie dwa organizmy, które znajdują się na sąsiednich gałęziach tego drzewa, mają więcej wspólnych cech niż organizmy oddalone od siebie na schemacie. Można przypuścić, że organizmy cechujące się większą ilością wspólnych cech są bardziej spokrewnione ze sobą. W ten sposób można śmiało przypuścić, że taki schemat ukazuje zależności ewolucyjne między organizmami. Jednak takie przypuszczenie często jest błędne.
Jakie są tego przyczyny? Po pierwsze podczas układania klucza wykorzystuje się tylko niektóre, najwygodniejsze cechy organizmu. Żaden badacz nie będzie wykorzystywać analizy węglowodanowej kolejności jakiegoś fermentu czy analizy struktury kryształu po to, by odróżnić biedronkę dwukropkę od biedronki siedmiokropki (ryc. 47.3). Po drugie klucze nie uwzględniają ewolucyjnej stałości cech. Niektóre cechy w procesie ewolucji mało się zmieniają, dlatego obecność takiej cechy u określonej grupy organizmów może świadczyć o ich wspólnym pochodzeniu. Inne cechy są mniej stałe i mogą pojawiać się i znikać w procesie ewolucji wiele razy. Na przykład bardzo dogodna do określania cecha - kolor skrzydeł owada czy kolor płatków kwiata - niejednokrotnie zmienia się w procesie ewolucji określonej grupy. Natomiast zestaw kości czaszki jest bardziej stały i mniej zmienny, dlatego nie bardzo dogodny
do analizy. Najbardziej konserwatywnymi cechami zwykle są kolejności białek i RNA, krórych nie uwzględnia się przy opracowywaniu takich kluczy. I w końcu, do określonej klasyfikacji trafiają wyłącznie współczesne gatunki, które są tylko krótkim przekrojem nieogarniętej różnorodności form życia.
Karol Linneusz
Urodził się w 1707 roku na południu Szwecji. Nauki pobierał na Uniwersytecie w Uppsali. Przede wszystkim znany jest na świecie jako „ojciec systematyki”. Linneusz zaproponował sztuczną klasyfikację przyrody która według niego składała się z trzech królestw: minerałów, roślin i zwierząt. Przełomowe dzieło naukowe Linneusza - „System przyrody” - stało się podwaliną współczesnej systematyki biologicznej. Zaproponowany przez niego sposób nazewnictwa gatunków za pomocą dwóch wyrazów - nazwy rodzajowej i nazwy gatunkowej - wykorzystywany jest do dnia dzisiejszego. Badacz wprowadził do języka naukowego około tysiąca terminów do opisu budowy organizmów. Jeszcze jednym osiągnięciem Linneusza było to, że człowieka on zaliczył do królestwa Zwierząt, czego przedtem nikt nie robił. Karol Linneusz za życia zdobył światową sławę i uznanie. Za to król Szwecji zaszczycił go tytułem szlacheckim, co było niezwykłym wydarzeniem. Do końca życia badacz pracował w Uniwersytecie w Uppsali. Zmarł w 1778 roku i został pochowany w katedrze w Uppsali jako honorowy obywatel miasta.
Drzewa filogenetyczne ukazują zależności ewolucyjne między gatunkami
Jednak idea stworzenia takiej naturalnej klasyfikacji, która by odzwierciedlała zależności ewolucyjne między organizmami, wydaje się bardzo kusząca, ponieważ taki schemat byłby bardzo korzystny dla badacza. Analizując podobne drzewa,
można wyjawić mechanizmy przekształceń ewolucyjnych, które kierują rozwojem życia na Ziemi. Drzewo, które przedstawia zależności ewolucyjne między organizmami, nazywa się drzewem filogenetycznym. Podstawowe zadanie współczesnej systematyki biologicznej i taksonomii - to budowanie drzew filogenetycznych. Czy można zbudować drzewo filogenetyczne? Praktycznie -nie.
Przyczyna jest taka sama: nie posiadamy pełnej informacji o różnorodności życia na Ziemi. To, co nam daje kronika paleontologiczna, to mała kropla w oceanie różnorodności, który wywołuje ewolucja. Wyobrażenia o zwierzętach prehistorycznych, które mamy, są bardzo fragmentaryczne.
Większość ssaków ery mezozoicznej (których różnorodność była nie mniejsza niż różnorodność dinozaurów) znamy ze szczątków: zębów i fragmentów szczęk. Ustalić jednoznaczne zależności ewolucyjne między nimi i współczesnymi zwierzętami jest absolutnie niemożliwie, ponieważ znaczną część informacji o nich utracono oraz nie są znane praktycznie wszystkie formy przejściowe.
Jeszcze jedna przyczyna, bardziej fundamentalna, polega na tym, że ukazanie ewolucji w postaci drzewa dla wielu grup organizmów (prokariotów, i być może, pierwotniaków) w zasadzie nie jest możliwe.
U większości organizmów informacja dziedziczna jest przekazywana pionowo, czyli od rodziców do dzieci, od dzieci do wnuków i tak dalej. U prokariotów i pierwotniaków możliwe jest poziome przekazywanie informacji dziedzicznej, kiedy organizmy, które nie są potomkami, otrzymują informację dziedziczną od tego organizmu. W rezultacie nowe cechy będą nabywane nie tylko w wyniku mutacji i ich dziedziczenia, ale też w wyniku kombinowania cech różnych niespokrewnionych organizmów. W takim razie drzewo ewolucyjne przekształci się na sieć ewolucyjną (ryc. 47.4). Jednak biolodzy próbują zbudować drzewo maksymalnie podobne do filogenetycznego. Jak im się to udaje, dowiesz sie z następnego paragrafu.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Nazwy taksonów jednego poziomu, według których rośliny i zwierzęta różnią się między sobą - to
A królestwo - klasa В klasa - rząd C rząd - typ
D rząd - rząd E rodzina - gatunek
2
Do podziału organizmów na jądrowe i bezjądrowe doprowadziło A odkrycie mikroorganizmów В nagromadzenie wiedzy z genetyki
C udoskonalenie mikroskopu D powstanie teorii komórkowej
E eksperymenty Pasteura dotyczące samorództwa
з
W jednym z kluczy żuków jest wyraz „odnóża kroczne ze skórzastymi płytkami”. Jest to przykład
A tezy В antytezy C zasady dychotomicznej
D cechy fizjologicznej organizmu E podwójnego sądu
4
Wszystkie organizmy, które latają, mogą być połączone w jeden takson, dlatego można stwierdzać, że
A one są spokrewnione między sobą В one mają wiele wspólnych cech C one pochodzą jeden od drugiego D one tworzą jedyną gałąź drzewa filogenetycznego E wszystkie one są różnymi populacjami jednego gatunku
5
Drzewo filogenetyczne ukazuje
A podobieństwo gatunków pod względem wyglądu zewnętrznego В podobieństwo gatunków pod względem składu chemicznego C od jakich gatunków wzięły początek inne gatunki D kolejność gatunków przodków tego gatunku E sztuczną klasyfikację organizmów żywych
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Czym się różni klasyfikacja dychotomiczna od drzewa filogenetycznego?
7
W jakim celu biolodzy klasyfikują różne organizmy?
8
Jaką cechę - zabarwienie skrzydeł owadów czy budowę czaszki - stosowniej będzie wykorzystać w celu stworzenia drzewa filogenetycznego?
9
Dlaczego większości wymarłych organizmów nie udaje się umieścić na drzewach filogenetycznych?
10
Jak obecność poziomego przekazywania genów komplikuje budowanie drzewa filogenetycznego?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Jakie jednostki taksonomiczne są największe, a jakie - najmniejsze? Dlaczego ich powiększenie czy pomniejszenie jest niemożliwe?
12
Na czym polega różnica między kladogramem a drzewem filogenetycznym?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
W jaki sposób może odbywać się poziome przekazywanie genów? Czy ono jest możliwe między eukariotami wielokomórkowymi?
14
Jakie trudności powstają przed współczesną systematyką wirusów?
Projekt do opracowania w grupie
15
Układanie dychotomicznych schematów klasyfikacji.
1) Spróbuj ułożyć schemat dychotoniczny klasyfikacji dla różnych obiektów: organizmów kręgowych, krewnych, organizmów mieszkających w szkole, marek samochodów, gier komputerowych itd.
2) Przedstaw otrzymany schemat kolegom z klasy i zaproponuj im sklasyfikować według niego jakiś obiekt.
3) Na czym polegały wady twego schematu? Co trzeba zrobić, aby go ulepszyć?
Źródło: Biologia podręcznik dla klasy 9 Szałamow