Klasyfikacja i identyfikacja organizmów
Klasyfikacja i identyfikacja organizmów
Wykażesz, że klasyfikacja organizmów oparta jest na ich filogenezie.
Przeanalizujesz przykłady kluczy dychotomicznych i wyjaśnisz zasady ich działania.
Uporządkujesz hierarchicznie podstawowe rangi taksonomiczne.
Wyjaśnisz, dlaczego ważna jest weryfikacja wyniku otrzymanego na podstawie klucza dychotomicznego.
Dziedziną biologii zajmującą się wyróżnianiem, nazywaniem i naturalną klasyfikacją grup organizmów (taksonów) jest systematyka organizmów. Zajmuje się ona także analizą stosunków pomiędzy wyodrębnionymi w ten sposób jednostkami systematycznymi.
Regułami klasyfikacji i nazewnictwa systematycznego zajmuje się taksonomia. Ściśle powiązana z systematyką organizmów jest także filogenetyka, która bada relacje pochodzenia i pokrewieństwa ewolucyjnego między jednostkami systematycznymi.
Historia klasyfikacji organizmów
Pierwszy układ systematyczny organizmów stworzył Arystoteles, który w trzecim wieku przed naszą erą, wyróżnił i opisał wiele gatunków zwierząt. Zbliżone do siebie gatunki połączył w rodzaje, a następnie zastosował kryteria anatomiczne i fizjologiczne (np. obecność lub nieobecność czerwonej krwi, żyworodność, jajorodność lub samorodność). W ten sposób wyodrębnił system grup wyższego rzędu, które z kolei uporządkował w drabinę jestestw. Arystotelesowski system klasyfikacji organizmów przetrwał wiele stuleci, choć brak w nim było jednoznacznych kryteriów wyodrębniania taksonów. Pojęcie gatunku, jako podstawowej jednostki systematycznej rozumianej, jako zbiór osobników podobnych do siebie w taki sposób, jak potomstwo jest podobne do rodziców, wprowadził 20 wieków po Arystotelesie, angielski biolog John Ray pod koniec XVII w.
Konsekwentnie hierarchiczną klasyfikację organizmów stworzył dopiero szwedzki przyrodnik Karol Linneusz. Wprowadził on zasadę binominalnego nazewnictwa gatunków oraz ustalił kryteria jednostek systematycznych wyższego rzędu (rodzaje, rzędy, gromady i królestwa).
Szwedzki przyrodnik i lekarz Karol Linneusz (Carl von Linné, 1707–1778), opisał ok. 10 tys. gatunków roślin, wyodrębnił 24 klasy roślin, przeciwstawił klasie roślin jawnopłciowych (obecnie nasienne) klasę skrytopłciowych (zarodnikowe). Podział świata roślin oparł na liczbie oraz układzie pręcików i słupków. Opisał też ok. 6 tys. gatunków zwierząt. Jego osiągnięciem było wydzielenie gromady ssaków i zaliczenie do niej wielorybów oraz włączenie człowieka do rzędu naczelnych. Wprawdzie stworzony przez niego układ systematyczny nie odzwierciedlał stosunków pokrewieństwa między poszczególnymi grupami organizmów, był jednak uporządkowany i przejrzysty.
Istnienie naturalnej hierarchii i pokrewieństwa organizmów w sposób przekonujący wykazała dopiero w 1809 r. teoria ewolucji Jeana‑Baptiste’a de Lamarcka .
Ostatecznie ugruntowała ją, w drugiej połowie XIX w., teoria ewolucji Charlesa R. Darwina. Od tego czasu hierarchię naturalną organizmów pojmuje się jako konsekwencję ewolucji świata organicznego. A jej odkrywanie – jako drogę do rekonstrukcji pochodzenia ewolucyjnego poszczególnych grup systematycznych, czyli ich filogenezy.
Współczesna systematyka organizmów
Do połowy XX w. podstawą w dochodzeniu do hierarchii naturalnej były dane anatomiczne i embriologiczne organizmów oraz informacje paleontologiczne o kolejności występowania rozmaitych kopalnych grup systematycznych. W drugiej połowie XX w. zaczęto uwzględniać cechy biochemiczne i genetyczne organizmów. Obecnie największą rolę odgrywa tzw. hybrydyzacja DNA, bezpośrednio porównująca ze sobą różne odcinki programu genetycznego badanych organizmów. A także sekwencjonowanie DNA, czyli rekonstrukcja struktury programu genetycznego. We współczesnej systematyce organizmów można wyróżnić trzy zasadnicze metody badawcze.
Klasyczna systematyka ewolucyjna
Opiera się na równoczesnej analizie anatomoporównawczej, embriologicznej i paleontologicznej grup systematycznych. Występowanie wspólnych cech anatomicznych, biochemicznych lub genetycznych stanowi podstawę do identyfikacji grup monofiletycznych, czyli taksonów, które obejmują wszystkich potomków ostatniego wspólnego przodka, znanego lub hipotetycznego. Zgodność następstwa skamieniałości z kolejnością stadiów embriogenezy pozwala natomiast na rekonstrukcję filogenezy tych grup.
Krytycy tej metody zwracają uwagę, że co prawda występowanie cech wspólnych świadczy o pokrewieństwie między grupami systematycznymi, ale nic nie mówi o stopniu tego pokrewieństwa. Np. obecność kręgosłupa u ptaków rozstrzyga o ich przynależności do kręgowców, ale nie wyjaśnia ich relacji do gadów czy ssaków. Z kolei dane paleontologiczne są zawsze bardzo niekompletne, a często wręcz mylące jako źródło informacji o następstwie czasowym kopalnych organizmów.
Kolejność stadiów embriogenezy może się natomiast zasadniczo różnić od kolejności stadiów filogenezy (np. wczesny rozwój łożyska u ssaków). Zasady systematyki ewolucyjnej nie dają też żadnych wskazówek, czy rozpoznawane grupy systematyczne traktować jako rodzaje, rodziny czy też jako taksony jeszcze wyższego rzędu.
Kladystyka
Obecnie coraz większą rolę w systematyce organizmów odgrywa kladystyka, czyli systematyka filogenetyczna. Jej zasady sformułował w 1950 r. Willi Hennig. Kladystyka analizuje nie tylko anatomię organizmów, ale także strukturę ich programu genetycznego. Według zasad kladystyki wszystkie jednostki systematyczne muszą mieć charakter holofiletyczny, tzn. muszą obejmować gatunek macierzysty i wszystkie jego gatunki potomne.
Żadna grupa systematyczna nie może też pochodzić od więcej niż jednego gatunku. Holofiletyczne grupy systematyczne wyróżnia się na podstawie cech pojawiających się po raz pierwszy u gatunku macierzystego i dziedziczonych przez jego gatunki potomne. Pojawianie się nowych cech stanowi zatem podstawę do klasyfikacji, a kolejność ich występowania w ewolucji tworzy naturalną hierarchię systematyczną.
Fenetyka
Trzecią ważną metodą współczesnej systematyki organizmów jest fenetyka, zwana także taksonomią numeryczną. Fenetyka posługuje się analizą podobieństwa lub niepodobieństwa cech poszczególnych grup systematycznych. Jej reguły wymagają, by analizować wszystkie cechy, które da się zaobserwować i opisać (najlepiej liczbowo). Klasyfikacja fenetyczna łączy ze sobą formy podobne, ale zupełnie niespokrewnione – tworzy zatem grupy polifiletyczne. Fenetyka coraz bardziej ustępuje dziś miejsca kladystyce, szerokie zastosowanie znajduje jednak w badaniach systematycznych opartych na analizie cech biochemicznych.
Jednostki systematyczne
Formalną jednostką klasyfikacji organizmów jest takson. Może on obejmować tylko formy pochodzące od jednego gatunku macierzystego. Taksony szereguje się w porządku hierarchicznym.
Taksony w królestwie zwierząt: typ, gromada, rząd, rodzina, rodzaj, gatunek.
Taksony w królestwie roślin: gromada, klasa, rząd, rodzina, rodzaj, gatunek.
W systematyce proponowanej przez Carla Woese’a najwyższą jednostką, mogącą obejmować królestwa, jest domena. Wyróżnia się trzy domeny: 1) bakterie (Bacteria), obejmujące oprócz bakterii właściwych także sinice i prochlorofity, 2) archeony (archebakterie, Archaea), obejmujące organizmy prokariotyczne różniące się budową od bakterii, oraz 3) eukarionty (jądrowe, Eucarya), obejmujące cztery królestwa: protisty (Protista), grzyby (Fungi), rośliny (Plantae) i zwierzęta (Animalia).
Nazewnictwo biologiczne
Zasady nazewnictwa biologicznego regulują międzynarodowe kodeksy nomenklatury. Ich zadaniem jest utrzymanie jednoznaczności, jednolitości i powszechności nazw. W nazewnictwie biologicznym stosuje się nazwy łacińskie lub zlatynizowane, jednowyrazowe o różnych końcówkach w zależności od szczebla taksonomicznego, pisane wielką literą, np. Rana (rodzaj żaba ze wszystkimi gatunkami), Canidae (rodzina psowatych), Insecta (owady), Vertebrata (kręgowce). Wyjątek stanowią dwuwyrazowe nazwy gatunków, składające się z nazwy rodzajowej (pisanej wielką literą) i gatunkowej (pisanej małą literą), np. Homo sapiens – człowiek jako gatunek zoologiczny (jest to analogia do nazwiska i imienia). Dwuwyrazowe (binominalne) nazewnictwo gatunków upowszechnił w XVIII w. Karol Linneusz. Dla podgatunków używa się nazw trójczłonowych.
Zapoznaj się z audiobookiem „Metody klasyfikacji organizmów i jednostki systematyczne”, a następnie wykonaj polecenia.
Metody klasyfikacji organizmów i jednostki systematyczne
Pierwsze próby klasyfikacji flory i fauny bazowały na podobieństwie ich cech i zachowań. Już w czwartym wieku przed nasza erą Arystoteles ze Stagiry dzielił świat istot żywych na dwie łatwe do określenia grupy: rośliny i zwierzęta. Świat zwierząt tworzyły, jego zdaniem, zwierzęta krwiste, czyli mające czerwoną krew, i zwierzęta bezkrwiste. Do tych pierwszych zaliczał wszystkie kręgowce, do drugich – bezkręgowce. Choć niewątpliwie to Arystoteles stworzył podwaliny klasyfikacji gatunków, za ojca nowoczesnej systematyki uważa się jednak szwedzkiego lekarza, badacza i przyrodnika Karola Linneusza.
Linneusz zdefiniował podział świata zwierzęcego i roślinnego. Zwierzętami według niego były te organizmy, które żyją, czują i rosną, natomiast roślinami te, które jedynie żyją i rosną. Sformułował ponadto pierwsze zasady klasyfikacji organizmów, które – nieco tylko zmienione – obowiązują do dzisiaj. Po pierwsze zaproponował hierarchiczny układ taksonów. Zmodyfikował wprowadzone w 1682 roku przez Johna Raya dwuczłonowe, inaczej binominalne, naukowe nazewnictwo organizmów, wprowadzając do niego język łaciński. Dlatego każdy gatunek zyskał nazwę rodzajową i gatunkową. Pierwszy człon – nazwa rodzajowa – to zazwyczaj rzeczownik pisany wielką literą. Nazwa gatunkowa, pisana małą literą, to epitet gatunkowy, przymiotnik lub rzeczownik w dopełniaczu.
Rok 1758, w którym Linneusz opublikował swoje „Systema naturae” uznawany jest za początek nowoczesnej systematyki. Uznano wtedy tak zwaną regułę priorytetu, głoszącą, że nazwą gatunku jest ta, która została wprowadzona jako pierwsza – wszystkie inne funkcjonujące nazwy są jej synonimami. Obecnie nazewnictwo organizmów jest regulowane przepisami zawartymi w Międzynarodowym Kodeksie Nazewnictwa Zoologicznego – ICZN – oraz w Międzynarodowym Kodeksie Nazewnictwa Botanicznego – ICBN. Uczony, który odkrył i opisał gatunek, ma prawo nadać mu nazwę. Musi także określić jego przynależność systematyczną, tworząc opis cech diagnostycznych, inaczej charakterystycznych, dla danego organizmu. Okaz typowego przedstawiciela nowego gatunku musi zostać złożony w publicznej placówce badawczej, na przykład instytucie czy muzeum, stając się tym samym dostępnym dla innych naukowców.
Taksonomia to poddyscyplina systematyki. Nauka ta zajmuje się sposobami ustalenia reguł i metod klasyfikacji oraz nazewnictwa organizmów. Bada i opisuje zmienności fenotypowe. Dzięki niej tworzone są podjednostki systematyczne – taksony. Każdy takson grupuje osobniki filogenetycznie spokrewnione, o konkretnej odróżniającej je od innych cesze. Takson obejmuje inne taksony niższych rzędów.
Systematyka to dział biologii klasyfikujący organizmy, czyli stosujący taksonomię praktycznie. Określa podstawy do tworzenia jednolitego systemu porządkującego organizmy żywe, zarówno istniejące obecnie, jak i wymarłe. Wyróżnia się dwa główne systemy klasyfikacji: botaniczny i zoologiczny.
W podziale organizmów świata żywego możemy wyróżnić dwie największe jednostki taksonomiczne. Są to cesarstwa Prokaryota, organizmy bezjądrowe, i Eukaryota – organizmy z jądrem komórkowym. Do prokariontów należy jedno królestwo: bakterie – o łacińskiej nazwie Bacteria, natomiast do eukariontów – cztery królestwa: – Protista, grzyby – Fungi, rośliny – Plantae i zwierzęta – Animalia.
W dobie szybkiego rozwoju nauk biologicznych, na przykład genetyki czy biologii molekularnej, bazujących na badaniu materiału genetycznego, naukowcy starają się stworzyć naturalne systemy klasyfikacji. Badania genetyczne wykazały na przykład, że najbliższymi krewnymi bociana białego – Ciconia ciconia – są amerykańskie kondory z rodziny Cathartidae.
Organizmy podobne zarówno fenotypowo, jak i genetycznie, to znaczy mające wspólna pulę genową, mogące się ze sobą krzyżować i rodzić płodne potomstwo, są klasyfikowane jako gatunki. Gatunek jest podstawowym taksonem systematycznym. Gatunki o podobnych cechach są grupowane w kolejne taksony – rodzaje. Rodzaje zbierane są w rodziny, które przechodzą w rzędy. W zależności od tego, w którym systemie dokonuje się klasyfikacji, rzędy mogą przechodzić w klasy i gromady, jak dzieje się w systemie botanicznym, lub w gromady i typy – jak w systemie zoologicznym. Obecnie naukowcy prowadzą prace nad integracją obu systemów.
Oznaczanie gatunków
Kiedy zaobserwujemy nowy organizm, istotne jest właściwe zaklasyfikowanie go do odpowiedniego taksonu – gatunku, rodzaju, rodziny itd. Mogą to zrobić także amatorzy ciekawi, jaką roślinę czy zwierzę widzą przed sobą. Aby móc je prawidłowo zidentyfikować, należy skorzystać ze specjalnego klucza do oznaczania organizmów.
Klucz dychotomiczny
Najpopularniejszy rodzaj klucza do oznaczania organizmów to klucz dychotomiczny. Istota jego zastosowania polega na udzielaniu jednej z dwóch możliwych odpowiedzi, na kolejno zadawane pytania. Odpowiedzi te wykluczają się wzajemnie i najczęściej brzmią „tak” lub „nie”.
Klucze dychotomiczne są powszechnie stosowane w celu identyfikacji nieznanego zwierzęcia lub rośliny, zazwyczaj na podstawie ich cech morfologicznych. Aby użyć klucza, użytkownik określa, która z dwóch różnych opcji jest poprawna, a następnie postępuje zgodnie z kluczem, aż ostatni wybór doprowadzi go do nazwy organizmu. Chociaż można stworzyć dychotomiczny klucz dla dowolnej grupy obiektów, najczęściej są one używane w biologii.
Jednym z najpopularniejszych kluczy w Polsce jest ten, dotyczący oznaczania słodkowodnych bezkręgowców stanowiących makrofaunę Wigierskiego Parku Narodowego. Ma on postać książki, w której odpowiedzi na pytania zadane na danej stronie, odsyłają czytelnika do kolejnych pytań na innych stronach – tak długo, aż doprowadzą go do konkretnego rodzaju, do którego należy obserwowane zwierzę.
Jak korzystać z klucza dychotomicznego?
Zasada korzystania z klucza dychotomicznego jest prosta. Ponieważ we wspomnianym kluczu dotyczącym Wigierskiego Parku Narodowego zadanych jest bardzo wiele pytań, omówimy ją na łatwiejszym przykładzie pospolitych morskich ptaków – mew.
Klucz jest tak skonstruowany, że odpowiedź na pytanie zadane na stronie x odsyła do pytania na stronę y. Należy więc uważnie śledzić dyspozycje, aby nie pomylić się przy przechodzeniu między etapami.
Istotnym problemem w przypadku tego rodzaju kluczy jest to, że zawarte w nich pytania odnoszą się tylko do różnic fenotypowych widocznych na pierwszy rzut oka. Jeśli więc dwa gatunki różnią się tylko nieznacznie, laik może nie zauważyć różnicy i błędnie odpowiadając na pytania, niewłaściwie zidentyfikować zaobserwowany okaz. Ponieważ klucz dychotomiczny ma dwie możliwe odpowiedzi na każde pytanie, może czasem być nieprecyzyjny. Dokładniejszy od niego jest klucz politomiczny.
Klucze dychotomiczne mogą występować w postaci graficznej lub numerycznej. Te drugie są znacznie bardziej popularne. Ich istotą jest przedstawienie oznaczanych cech w punktach – tak jak na poniższej ilustracji.
Klucz politomiczny
Sekret precyzji klucza politomicznego tkwi w wielu możliwych odpowiedziach na każde pytanie. Dla użytkownika jest on o tyle trudniejszy do opanowania, że im więcej odnośników do prześledzenia, tym łatwiej o błąd. Klucz ten pozwala jednak dokładniej oznaczyć organizm. Klucze politomiczne są rzadziej spotykane od dychotomicznych.
Bardzo istotnym etapem oznaczania organizmu jest weryfikacja poprawności otrzymanego wyniku. Jeśli więc z klucza wynika, że obserwowany ptak to np. mewa żółtonoga, należy dla pewności zapoznać się z jak najbardziej szczegółowymi informacjami dotyczącymi jej wyglądu, trybu życia, zajmowanego środowiska itp. W omówionym, przykładowym kluczu padały pytania wyłącznie o ubarwienie poszczególnych części ciała. Może się zatem okazać, że zobaczyliśmy jakiegoś ptaka, który ma ubarwienie podobne do mewy żółtonogiej, ale żyje w zupełnie innym środowisku, prowadzi odmienny tryb życia i ma inny kształt ciała, więc z pewnością nie może być mewą.
Klucze do oznaczania organizmów pozwalają w łatwy sposób zidentyfikować badany okaz. Choć poprawność identyfikacji zależy przede wszystkim od tego, jak dobrze swoją pracę wykonał autor klucza, to na użytkowniku spoczywa odpowiedzialność za jak najdokładniejszą obserwację i udzielanie zgodnych z prawdą odpowiedzi. To on także musi na koniec zweryfikować wynik. Jeśli wszystko zrobi prawidłowo, może mieć niemal pewność, że organizm został właściwie oznaczony.
Zapoznaj się z filmem samouczkiem „Zasady korzystania z kluczy do oznaczania organizmów” i wykonaj polecenia.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RWffxzmiKMnWH
Film opisuje zasady korzystania z kluczy do oznaczania organizmów.
Ćwiczenia utrwalające
Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.