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 badaniem różnorodności organizmów i ich relacjami ewolucyjnymi oraz tworzeniem klasyfikacji grup odzwierciedlającymi te relacje jest systematyka organizmów. Rozpoznawaniem, opisywanie, nazywaniem i klasyfikowaniem taksonów zajmuje się taksonomia. Ściśle powiązana z systematyką organizmów jest także filogenetyka, która rekonstruuje relacje pokrewieństwa i historię ewolucyjną organizmów.
Historia klasyfikacji organizmów
Arystoteles stworzył jeden z pierwszych rozbudowanych i dobrze udokumentowanych systemów klasyfikacji zwierząt w tradycji europejskiej w czwartym wieku przed naszą erą. Zbliżone do siebie gatunki połączył w rodzaje, a następnie zastosował kryteria anatomiczne i fizjologiczne (np. obecność lub nieobecność czerwonej krwi, żyworodność lub jajorodność). W ten sposób wyodrębnił system grup wyższego rzędu. Arystotelesowski system klasyfikacji organizmów przetrwał wiele stuleci, choć brakowało w nim jednoznacznych kryteriów wyodrębniania taksonów. Ważną rolę w tworzeniu pojęcia gatunku odegrał 20 wieków po Arystotelesie angielski biolog John Ray pod koniec XVII w.
Karol Linneusz w XVIII wieku upowszechnił konsekwentne użycie dwuczłonowych nazw gatunków, mimo, że stosowano je na długo przed nim.
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.
Na początku XIX wieku Jean‑Baptiste de Lamarck przedstawił jedną z pierwszych spójnych teorii przemian organizmów. Późniejsza teoria Charlesa R. Darwina nadała klasyfikacji ewolucyjny sens, wskazując wspólne pochodzenie jako przyczynę hierarchicznego układu podobieństw między organizmami. 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 kopalnych grup systematycznych. W drugiej połowie XX w. zaczęto uwzględniać cechy biochemiczne i genetyczne organizmów. Obecnie największą rolę odgrywają metody molekularne, pozwalające na bezpośrednie porównanie ze sobą różnych odcinków materiału genetycznego badanych organizmów.
Dzięki nim współczesna systematyka dąży do tworzenia taksonów odzwierciedlających rzeczywiste pokrewieństwo ewolucyjne. W zależności od tego, jak wyróżnione grupy odnoszą się do wspólnego przodka, w klasyfikacji wyróżnia się trzy podstawowe typy grup systematycznych:
We współczesnej systematyce organizmów można wyróżnić trzy zasadnicze sposoby konstruowania klasyfikacji:
Opiera się na równoczesnej analizie anatomii porównawczej, embriologicznej i paleontologicznej grup systematycznych. Podstawą rozpoznawania kladów są przede wszystkim wspólne cechy pochodne odziedziczone po ostatnim wspólnym przodku.
Występowanie wspólnych cech anatomicznych, biochemicznych lub genetycznych stanowi podstawę do identyfikacji grup monofiletycznych. Jest to klad, który obejmuje ostatniego wspólnego przodka danej grupy oraz wszystkich jego potomków.
Klasyczna systematyka ewolucyjna uwzględnia pokrewieństwo oraz stopień zmian ewolucyjnych i może zachowywać niektóre grupy parafiletyczne.
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. pojedyncza szeroko rozpowszechniona cecha, na przykład obecność kręgosłupa, nie pozwala określić relacji wewnątrz kręgowców. Do rekonstrukcji pokrewieństwa potrzebny jest zestaw odpowiednio dobranych cech pochodnych, oraz dane molekularne.
Zasady systematyki ewolucyjnej nie dają też żadnych wskazówek, czy rozpoznawane grupy systematyczne traktować jako rodzaje, rodziny czy też jako taksony jeszcze wyższego rzędu.
Obecnie coraz większą rolę w systematyce organizmów odgrywa kladystyka, czyli systematyka filogenetyczna. Jej zasady rozwijał w XX wieku Willi Hennig. Kladystyka analizuje m.in. cechy anatomiczne, fizjologiczne, molekularne i paleontologiczne. Rekonstruuje pokrewieństwo na podstawie wspólnych cech pochodnych i wyróżnia klady obejmujące przodka oraz wszystkich jego potomków. Według zasad kladystyki wszystkie jednostki systematyczne muszą mieć charakter monofiletyczny. Żadna grupa systematyczna nie może też pochodzić od więcej niż jednego gatunku. Pojawianie się nowych cech stanowi zatem podstawę do klasyfikacji, a kolejność ich występowania w ewolucji tworzy naturalną hierarchię systematyczną.
Trzecią ważną metodą współczesnej systematyki organizmów jest fenetyka, zwana także taksonomią numeryczną. Grupuje ona organizmy na podstawie ogólnego podobieństwa wielu cech, bez rozstrzygania, które cechy są odziedziczone po wspólnym przodku. Analiza fenetyczna wykorzystuje możliwie szeroki zestaw wybranych i zakodowanych cech, często traktowanych równorzędnie lub odpowiednio ważonych. Ponieważ nie rozróżnia automatycznie cech homologicznych od analogicznych ani cech pierwotnych od pochodnych, uzyskane grupy nie zawsze odzwierciedlają filogenezę.
Fenetyka coraz bardziej ustępuje dziś miejsca kladystyce, szerokie zastosowanie znajduje jednak w ekologii, mikrobiologii, analizie profili metabolicznych.
Jednostki systematyczne
Formalną jednostką klasyfikacji organizmów jest takson. Taksony szereguje się w porządku hierarchicznym.
Podstawowa hierarchia obejmuje rangi taksonomiczne: domenę, królestwo, typ lub gromadę, klasę, rząd, rodzinę, rodzaj i gatunek. Nazewnictwo niektórych rang różni się między tradycją zoologiczną, botaniczną i mikrobiologiczną.
W systematyce proponowanej przez Carla Woese’a najwyższą jednostką, mogącą obejmować królestwa, jest domena. Wyróżnia się trzy domeny:
bakterie (Bacteria), obejmuje liczne linie bakterii, w tym cyjanobakterie,
archeony (Archaea), obejmujące organizmy prokariotyczne różniące się budową od bakterii,
eukarionty (jądrowe, Eucaryota, Eucarya), obejmujące tradycyjnie cztery królestwa: protisty (Protista), grzyby (Fungi), rośliny (Plantae) i zwierzęta (Animalia).
W tradycyjnej klasyfikacji eukarionty dzielono na protisty, grzyby, rośliny i zwierzęta. Współczesne systemy filogenetyczne wyróżniają jednak liczne duże klady eukariontów, a „protisty” nie stanowią jednego królestwa odpowiadającego pojedynczej linii ewolucyjnej.
Hierarchia może zawierać dodatkowe rangi:
nadrodzina;
podrodzina;
plemię;
podgatunek;
nadgromada;
podgromada.
Nie wszystkie współczesne klasyfikacje filogenetyczne używają tradycyjnych rang w identyczny sposób.
Nazewnictwo biologiczne
Zasady nazewnictwa biologicznego regulują międzynarodowe kodeksy nomenklatury. Ich zadaniem jest utrzymanie jednoznaczności, jednolitości i powszechności nazw. Nazwy rodzajów i taksonów wyższej rangi są zwykle jednowyrazowe i zapisywane wielką literą, np. Rana (rodzaj żaba ze wszystkimi gatunkami), Canidae (rodzina psowatych), Insecta (owady), Vertebrata (kręgowce). Wyjątek stanowią dwuwyrazowe nazwy gatunków. Szczegółowe zasady zależą od odpowiedniego międzynarodowego kodeksu nomenklatury.
Pierwszy człon nazwy gatunku jest nazwą rodzaju, a drugi jest epitetem gatunkowym. Dopiero oba człony razem tworzą nazwę gatunku, na przykład Homo sapiens. Dwuwyrazowe (binominalne) nazewnictwo gatunków upowszechnił w XVIII w. Karol Linneusz. Dla podgatunków używa się najczęściej nazw trójczłonowych.
Nazwy rodzaju i gatunku zapisuje się kursywą. Nazwę rodzaju rozpoczyna się wielką literą, a epitet gatunkowy małą, na przykład Vulpes vulpes. Po pierwszym podaniu pełnej nazwy nazwę rodzaju można skrócić, jeśli nie powoduje to niejasności, na przykład V. vulpes. Natomiast nazwy rodzin, rzędów, gromad i typów zwykle nie zapisuje się kursywą, np. Canidae, Carnivora, Mammalia.
Oznaczanie gatunków
Kiedy zaobserwujemy nowy organizm, istotna jest właściwa identyfikacja 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. Klucz dychotomiczny składa się z kolejnych par wzajemnie wykluczających się opisów. Wybór jednego z nich prowadzi do następnej pary albo do nazwy oznaczanego taksonu.
Jak korzystać z klucza dychotomicznego?
Zasada korzystania z klucza dychotomicznego jest prosta. Omówimy ją na przykładzie pospolitych morskich ptaków – mew. Należy pamiętać, że jest to model uproszczony, a nie wiarygodny klucz terenowy do oznaczania wszystkich osobników.
Klucz jest tak skonstruowany, że odpowiedź na pytanie zadane na danej stronie x, odsyła do pytania na stronę y. Należy więc uważnie śledzić dyspozycje, aby nie pomylić się przy przechodzeniu między etapami.
Klucze dychotomiczne mogą występować w postaci graficznej lub tekstowej. Te drugie są znacznie bardziej popularne. Ich istotą jest przedstawienie oznaczanych cech w punktach. Przedstawia to bardzo uproszczony klucz do oznaczania rodzin z rzędu drapieżnych.
Klucze mogą wykorzystywać cechy np. morfologiczne, anatomiczne czy chemiczne. Profesjonalne klucze mogą wymagać pomiarów, preparowania, mikroskopowania czy znajomości stadium rozwojowego.
Klucz politomiczny
Klucz politomiczny przedstawia więcej niż dwie alternatywy na danym etapie. Może skracać drogę do oznaczenia, ale wymaga poprawnego rozróżnienia większej liczby stanów cechy. Jego dokładność zależy od jakości konstrukcji, a nie od samej liczby odpowiedzi.
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.
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.
Podsumowanie
Systematyka bada różnorodność organizmów i ich relacje ewolucyjne oraz tworzy klasyfikacje odzwierciedlające te relacje.
Taksonomia zajmuje się rozpoznawaniem, opisywaniem, nazywaniem i klasyfikowaniem taksonów.
Filogenetyka rekonstruuje relacje pokrewieństwa i historię ewolucyjną organizmów. Na niej opiera się współczesna klasyfikacja biologiczna.
Grupy monofiletyczne obejmują ostatniego wspólnego przodka oraz wszystkich jego potomków.
Grupy parafiletyczne obejmują wspólnego przodka, ale wykluczają część jego potomków.
Grupa polifiletyczna łączy organizmy z różnych linii ewolucyjnych, ale nie obejmuje ich najbliższego wspólnego przodka jako członka tej grupy. Podobieństwa łączące taką grupę często powstały niezależnie.
W klasyfikacji kladystycznej formalnie wyróżniane grupy powinny być monofiletyczne. W biologii nadal używa się jednak niektórych tradycyjnych nazw grup parafiletycznych, o ile ich znaczenie jest jasno określone.
We współczesnej systematyce wyróżnia się trzy metody: klasyczną systematykę ewolucyjną, kladystykę oraz fenetykę.
Najwyższą rangą taksonomiczną jest domena; wyróżnia się trzy domeny: bakterie (Bacteria), archeony (Archaea) oraz eukarionty (Eucarya).
Rangi taksonomiczne są uporządkowane hierarchicznie; w królestwie zwierząt układ obejmuje kolejno: domena, królestwo, typ, gromada, rząd, rodzina, rodzaj i gatunek; w królestwie roślin hierarchia taksonomiczna obejmuje kolejno: domena, królestwo, gromada, klasa, rząd, rodzina, rodzaj i gatunek.
W nazewnictwie biologicznym stosuje się język łaciński oraz nazewnictwo binominalne (dwuwyrazowe) dla gatunków, składające się z pisanej wielką literą nazwy rodzajowej oraz pisanego małą literą epitetu gatunkowego (np. Homo sapiens).
Do identyfikacji nieznanych okazów wykorzystuje się klucze:
- dychotomiczne - kolejne pary wzajemnie wykluczających się tez lub opisów, gdzie wybór jednej z dwóch możliwości kieruje użytkownika do następnej pary albo do oznaczenia taksonu
- politomiczne - oferujące więcej niż dwie możliwości na jednym etapie. Może skracać drogę oznaczania, ale nie jest z natury dokładniejszy od klucza dychotomicznego.Każde oznaczenie organizmu za pomocą klucza wymaga bezwzględnej weryfikacji poprzez porównanie cech badanego okazu ze szczegółowym opisem jego wyglądu, biologii oraz środowiska życia.
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.