Sistematika ir gyvybės medis

Kas bendro tarp jūsų, kambarinės musės ir pievoje augančios ramunės? Iš pirmo žvilgsnio – beveik nieko. Tačiau biologai atsakytų, kad visi jūs esate eukariotai, sudaryti iš ląstelių su branduoliais, ir priklausote didžiuliam gyvybės tinklui, turinčiam bendrą protėvį prieš milijardus metų.

Nuo seniausių laikų žmonės stengėsi suprasti ir susisteminti mus supančią gamtos įvairovę. Juk kur kas lengviau orientuotis, kai bibliotekos knygos sudėliotos pagal temas, o ne sumestos į vieną krūvą. Būtent tokį „bibliotekininko“ vaidmenį biologijoje atlieka sistematika – mokslas, tiriantis organizmų įvairovę ir jų tarpusavio ryšius.

Šioje pamokoje leisimės į kelionę po gyvybės medžio šakas. Sužinosime, kaip Karlas Linėjus sukūrė sistemą, naudojamą iki šių dienų, kaip mokslininkai, pasitelkę DNR analizę, braižo evoliucinius giminystės medžius ir kodėl klasikinės penkios karalystės virto trimis milžiniškomis domenų imperijomis. Suprasdami sistematiką, mes ne tik išmoksime tvarkingai „sudėlioti“ organizmus į lentynėles, bet ir pamatysime gilųjį visos gyvybės vienovės ir evoliucijos paveikslą.

Pirmieji bandymai

Pirmasis žinomas bandymas moksliškai klasifikuoti organizmus priklauso senovės graikų filosofui Aristoteliui (IV a. pr. Kr.). Jis suskirstė visus gyvus organizmus į dvi dideles grupes: augalus ir gyvūnus. Gyvūnus jis toliau skirstė pagal tai, kur jie gyvena (vandenyje, sausumoje, ore) ir ar turi raudoną kraują. Nors ši sistema buvo paprasta ir rėmėsi tik išorinėmis savybėmis, tai buvo pirmas svarbus žingsnis link sisteminio požiūrio.

Karlo Linėjaus revoliucija

Šiuolaikinės taksonomijos (sistematikos dalies, susijusios su organizmų klasifikavimu ir pavadinimų suteikimu) tėvu laikomas švedų gamtininkas Karlas Linėjus (Carl Linnaeus, XVIII a.). Jo sukurta sistema buvo tokia logiška ir patogi, kad jos principais remiamės iki šiol.

Dvigubas pavadinimas (binominė nomenklatūra)

Linėjus pasiūlė kiekvienai organizmo rūšiai suteikti unikalų dviejų dalių mokslinį pavadinimą lotynų kalba. Tai išsprendė milžinišką problemą – anksčiau tas pats organizmas skirtingose šalyse ar net skirtinguose kaimuose buvo vadinamas skirtingai, o tai kėlė didžiulę painiavą. Lotyniškas pavadinimas tapo universalia kalba visiems pasaulio mokslininkams.

Dvigubo pavadinimo taisyklės:

• Pirmas žodis: Nurodo gentį (lot. Genus), rašomas iš didžiosios raidės.
• Antras žodis: Nurodo rūšies epitetą (lot. species), rašomas iš mažosios raidės.
• Abu žodžiai rašomi kursyvu, pvz., Homo sapiens (žmogus), Canis lupus (pilkasis vilkas).

Hierarchinė klasifikacijos sistema

Antras svarbus Linėjaus indėlis – hierarchinė sistema, kurioje organizmai grupuojami į vis platesnes kategorijas, vadinamas taksonais. Tai tarsi „rusiškos lėlės“ (matrioškos) principas, kai viena grupė yra kitos grupės viduje.

Nors vėliau Linėjaus sistema buvo papildyta (pvz., įvestas domeno taksonas), jos hierarchinis ir binominis principai išliko nepakitę.

Linėjus grupavo organizmus pagal išorinį panašumą (morfologiją). Tačiau vien išvaizda gali apgauti. Pavyzdžiui, delfinas ir ryklys abu turi panašios formos kūnus, pelekus ir gyvena vandenyje, bet jų giminystės ryšys labai tolimas. Delfinas yra žinduolis, o ryklys – kremzlinė žuvis. Tokios struktūros, kurios atlieka panašią funkciją, bet yra skirtingos kilmės, vadinamos analoginėmis.

Po Čarlzo Darvino evoliucijos teorijos paskelbimo sistematikos tikslas pasikeitė. Svarbiausia tapo ne tik sugrupuoti, bet ir atspindėti organizmų evoliucinę istoriją ir giminystės ryšius. Taip atsirado filogenetika.

Homologinės struktūros – giminystės įrodymai

Filogenetika remiasi homologinių struktūrų analize. Tai struktūros, kurias skirtingos rūšys paveldėjo iš bendro protėvio, net jei dabar jos atrodo skirtingai ir atlieka kitokias funkcijas. Pavyzdžiui, žmogaus ranka, katės letena, banginio pelekas ir šikšnosparnio sparnas turi tą pačią kaulų sandarą, nes visi žinduoliai kilo iš bendro protėvio.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Iliustracija, greta palyginanti homologines struktūras (pvz., žmogaus, katės, banginio, šikšnosparnio galūnės kaulai) ir analogines struktūras (pvz., vabzdžio sparnas, paukščio sparnas, šikšnosparnio sparnas).

Kaip skaityti filogenetinį medį (kladogramą)?

Filogenetiniai ryšiai vaizduojami šakotomis diagramomis, vadinamomis filogenetiniais medžiais arba kladogramomis. Juos skaityti reikia išmokti:

• Šaknis (Root): Medžio pagrindas, reiškiantis bendrą visų medyje esančių organizmų protėvį.
• Šakos (Branches): Linijos, vaizduojančios evoliucines linijas (populiacijas) per laiką.
• Mazgai (Nodes): Šakų išsišakojimo taškai. Kiekvienas mazgas reiškia bendrą protėvį, iš kurio išsivystė naujos grupės.
• Klada (Clade): Grupė, kurią sudaro bendras protėvis ir visi jo palikuonys. Tai monofiletinė grupė – pagrindinis šiuolaikinės sistematikos vienetas.
• Seserinės grupės (Sister taxa): Dvi klados, turinčios artimiausią bendrą protėvį.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Paprasta kladograma, kurioje aiškiai pažymėtos jos dalys: šaknis, šakos, mazgai, ir apibrėžta viena klada bei nurodytos seserinės grupės.

Šiuolaikiniai filogenetiniai medžiai dažniausiai braižomi remiantis nebe tik morfologija, bet ir molekuline informacija – lyginant DNR, RNR ar baltymų sekas. Kuo daugiau panašumų sekose, tuo artimesnis giminystės ryšys.

Ilgą laiką buvo įprasta gyvybę skirstyti į penkias karalystes: Moneras (bakterijos), Protistus, Grybus, Augalus ir Gyvūnus. Tačiau XX a. pabaigoje, atsiradus molekulinės biologijos metodams, paaiškėjo, kad ši sistema neatspindi tikrosios gyvybės įvairovės gelmės.

Amerikiečių mikrobiologas Carl Woese, lygindamas visų organizmų ribosomų RNR (rRNR) sekas, pastebėjo, kad prokariotai (anksčiau priskirti Monerų karalystei) iš tiesų yra dvi labai skirtingos ir seniai viena nuo kitos atsiskyrusios grupės. Taip gimė trijų domenų sistema, kuri šiandien yra visuotinai pripažinta.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Schematiškas gyvybės medis, kurio kamienas apačioje šakojasi į tris pagrindines šakas: Bakterijų, Archėjų ir Eukarijų. Eukarijų šaka toliau šakojasi į Protistų, Grybų, Augalų ir Gyvūnų grupes.

Trijų gyvybės domenų palyginimas

Ši lentelė atskleidžia stebinantį faktą: nors Archėjos išoriškai panašios į Bakterijas (abi yra prokariotai), molekuliniame lygmenyje (pvz., RNR polimerazė, histonai) jos yra artimesnės Eukarijams.

Teorinės žinios apie filogenetinius medžius geriausiai įsitvirtina, kai patys galime juos tyrinėti. Šis interaktyvus įrankis leidžia keliauti po milžinišką gyvybės medį ir pamatyti, kaip mes visi esame susiję.

Užduotis: suraskite giminaičius

• Interaktyvus įrankis: „Deep Tree“ – interaktyvus gyvybės medis (NOVA Labs)
  • Ką darysite? Tyrinėkite interaktyvų gyvybės medį. Pasirinkite bet kokius du organizmus (pvz., žmogų ir grybą) ir vilkite jų piktogramas į nurodytas vietas. Įrankis parodys jų bendrą evoliucinį kelią ir nurodys, kada gyveno jų paskutinis bendras protėvis.
  • Tikslas: Vizualizuoti ir įtvirtinti supratimą apie filogenetinius ryšius. Išbandykite įvairias kombinacijas: raskite, kas yra artimesnis žmogaus giminaitis – šimpanzė ar pelė; grybas ar augalas. Atraskite netikėtus giminystės ryšius tarp, atrodytų, visiškai skirtingų organizmų.

Nors molekuliniai duomenys sukėlė revoliuciją sistematikoje, gyvybės medžio braižymas išlieka sudėtingas ir nuolat kintantis procesas. Mokslininkai susiduria su keliais iššūkiais ir kuria naujus metodus jiems įveikti.

Iššūkis: horizontalus genų pernešimas

Klasikinis gyvybės medžio modelis remiasi prielaida, kad genai perduodami vertikaliai – iš tėvų palikuonims. Tačiau tarp prokariotų (Bakterijų ir Archėjų) labai paplitęs horizontalus genų pernešimas. Tai procesas, kai organizmas gauna genetinės medžiagos ne iš savo protėvių, o iš visiškai negiminingo kito organizmo. Tai gali įvykti per virusus arba tiesioginį ląstelių kontaktą.

Dėl šio reiškinio seniausia gyvybės istorija primena ne tvarkingai šakotą medį, o greičiau voratinklį ar krūmą su susipynusiomis šakomis. Tai apsunkina pačių pirmųjų gyvybės formų atsiskyrimo nustatymą.

Modernūs metodai

DNR brūkšninis kodavimas (DNA Barcoding)

Tai metodas, leidžiantis greitai identifikuoti rūšį pagal trumpą, standartizuotą DNR seką iš tam tikro geno. Veikia panašiai kaip prekės brūkšninis kodas parduotuvėje. Pavyzdžiui, gyvūnams dažniausiai naudojama mitochondrijų citochromo c oksidazės I (COI) geno seka. Šis metodas ypač naudingas tiriant biologinę įvairovę, atpažįstant kriptines rūšis (kurios atrodo identiškai, bet yra genetiškai skirtingos) ar nustatant, iš kokios rūšies pagaminti maisto produktai.

Molekulinis laikrodis

Tai metodas, kuris remiasi prielaida, kad mutacijos DNR sekose kaupiasi daugmaž pastoviu greičiu. Lyginant dviejų rūšių DNR sekų skirtumus, galima apskaičiuoti, kada apytiksliai gyveno jų bendras protėvis. Pavyzdžiui, jei žinome, kad tam tikrame gene mutacija įvyksta vidutiniškai kas milijoną metų, o tarp dviejų rūšių tame gene yra dešimt skirtumų, galime daryti prielaidą, kad jų linijos atsiskyrė maždaug prieš penkis milijonus metų (dešimt skirtumų padalinama iš dviejų, nes pokyčiai vyko abiejose linijose). Šis metodas leidžia filogenetiniam medžiui suteikti laiko skalę.