Методы классификации

С целью классификации организмов используют ряд методов. В частности, используют сравнительно-морфологический, сравнительно-эмбриологический, кариологический, эколого-генетический, географический, палеонтологический, молекулярно-генетический и другие методы. Что касается свойств организмов, важных для классификации, то ими являются одноклеточность или многоклеточность, дифференциация клеток, развитие зародышевых листков, процесс и степень развития определенных систем (кровеносной, пищеварительной и других), наличие или отсутствие целома, тип симметрии (радиальная или билатеральная), наличие или отсутствие сегментации тела, генетическое сходство, количество и морфология хромосом, строение пыльцевых зерен у растений, биохимические и иммунологические свойства.

В наше время чрезвычайное значение приобрело установление последовательностей азотистых оснований в ДНК или секвенирование ДНК (генетическая дактилоскопия), а также установление последовательностей аминокислот в белках. Молекулярногенетическая филогения основывается на представлениях о том, что последовательность азотистых оснований в ДНК и аминокислот в белках одного организма отличается об этих последовательностей другого организма из-за накопления мутаций. Следовательно, различия в этих последовательностях у разных организмов являются мерой эволюционных «расстояний» между организмами. Образцы различий могут быть выстроены в генеалогический ряд. В обработке полученных результатов широко используют компьютерную технику.

Прежде чем мы продолжим изучение темы, необходимо вспомнить предудущий мАтериал.

Нужно помнить следующее: есть ДНК, это очень длинная молекула, она состоит из 4-х типов элементарных единиц (нуклеотидов), у человека ее длина 3 млрд., у бактерий – 3 млн. В ней бывают гены. Гены – это участки ДНК, которые кодируют белки. А белки – это то, что работает в клетках: ферменты, строительные материалы. Белок в первом приближении – это тоже линейная молекула, состоящая из мономеров (аминокислот), из другого стандартного алфавита. ДНК скручена в спираль, а белок тоже скручен в компактную глобулу, но это уже не очень существенно. И перед геномом есть участки ДНК, которые ничего не кодируют, а отвечают за регуляцию: когда будет экспрессироваться белок, а когда нет.

С чем имеет дело современная эволюционная биология? Представим себе игру в

САРАФАННОЕ РАДИО, только человек, который говорит, говорит не одному, а сразу двум. И вот в разные стороны происходит передача какого-то сообщения, и все время с искажениями, так, что к последним крайним особям этого ряда пришло совсем не то, с чего начали. И важно не то, что услышанное двумя соседями от одного и того же посредника отличается между собой не очень сильно, а то, что услышанное двумя членами, далеко отстоящими друг от друга, очень отличается, потому что прошло много актов передачи. Заменим человека молекулой ДНК, акт передачи информации с искажением соседям репликацией ДНК с появлением возможных мутаций, то получим, что через какое-то количество поколений один и тот же участок ДНК (хромосомы) у разных потомков будет кодировать различающиеся белки. Теперь представим себе, что мы ничего этого не знаем, а просто смотрим на целый ряд разных последовательностей белков. Некоторые из них похожи, кто-то больше, кто-то меньше.

И вот, мы берем самых похожих и смотрим на то, какой у них мог бы быть общий предок.

И вообще считаем, что он являются ближайшими родственниками друг друга. И дальше поднимаемся по это цепочке, всякий раз считая, что самые похожие белки – это те, которые происходят от общего предка.

И, поднимаясь по этой цепочке, мы можем реконструировать их эволюционную историю и сказать, какие белки разошлись недавно, а какие давно.

Идея этого принадлежит Крику. А первые подсчеты такого сорта сделал Марголиаш в 1963 году. Он просто взял один конкретный белок у разных существ и посмотрел число различий в его последовательности в разных парах. Результаты оказались с одной стороны, ожидаемыми, с другой стороны, разумными. Белок состоит из 104 аминокислот. Число различий между лошадью и свиньей было 3, между лошадью и тунцом – 19, а лошадью и дрожжами – 44. А это примерно соответствует современным преставлениям о том, как эти существа друг на друга похожи.

А вот другой пример – типичное дерево из современной статьи. Тут тоже взят один и тот же белок у разных существ, проводен его сравнительный анализ и на его основании построено дерево.

Как видно из этой картинки, последовательное объединение, заодно реконструирует последовательности во внутренних узлах этого дерева, т.е., указывает на степень родства живых организмов. Более того, зная количество накопленных замен, можно определить время когда был общий предок, поскольку скорость замен пропорционально времени.

Сейчас есть наука, которая называется молекулярная палеонтология. Одной из ее задач является определение условий жизни древних живых организмов. Например, можно взять белок и реконструировать его историю. Далее синтезировать такой реконструированный белок, определить его его физические свойства и по этим свойствам пытаться реконструировать, как разные животные жили когда-то давно.

На картинке показан такой реконструированный белок – это зрительный пигмент динозавров. Измерили его спектр поглощения, оказалось, что он очень хорошо поглощает в области красного спектра, а это характерно для существ, живущих в сумерках, и после этого стали, с некоторой долей юмора, обсуждать, что, по-видимому, динозавры охотились вечером. Вот такое направление научных исследований сейчас становится все более распространенным.

Как видите, классификация живых организмах основана на теории эволюции. А о " кризисе дарвинизма" слышали все. Ходят даже слухи о том, что " ученые доказали ошибочность теории Дарвина». Главные доводы противников эволюции: все ваши доводы – это теория. Кто видел как эволюционировал хотя бы один вид?; где ваши промежуточные формы, они будут такими уродами, которые ни к чему не приспособлены и выживать не будут.

Доказательства-ответы на эти вопросы этого наука сейчас может уже представить.

Из всех циркулировавших в человеческой популяции штаммов вирусов гриппа за период с 1983 по 1998 годы было построено своеобразное дерево, основой которого (стволом) явились удачные с точки зрения эволюции штаммы, оставившие после себя поколения. Коротенькие веточки – это штаммы вирусов, которые исчезли, не оставив потомком. Какое-то время сосуществовали две основные линии, а потом одна все-таки исчезла.

Еще один пример– это устойчивость бактерий по отношению к лекарствам: мы пытаемся лечить что-то антибиотиками, бактерии приобретают устойчивость к ним, и антибиотики перестают действовать.

Природные антибиотики – это средства борьбы микроорганизмов друг с другом, и они боролись друг с другом гораздо дольше, чем мы пытаемся лечить свои болезни. Поэтому у микроорганизмов были и какие-то средства защиты от этого антибиотика, например, бактерии умели его разлагать с помощью специального белка. Чтобы антибиотик был не подвержен разрушению его модифицируют, т.е. совершенствуют, бактерии такой антибиотик сначала разлагать не могут, мы лечимся. Но тогда белок, который его разрушал, тоже начинает меняться, чтобы разрушать теперь уже эти новые антибиотики. В природе такая же гонка вооружений происходит.

Здесь речь идет о конкретном белке, который дает устойчивость к антибиотику уже третьего поколения. Отличие его от исходного состоит в пяти позициях – это пять мутаций. Авторы статьи сделали следующее: они синтезировали все возможные промежуточные варианты исходного белка, с одной мутацией, двумя и так далее, всего 120 вариантов, и посмотрели, какие из них дают устойчивость. Тут существенно вот что: ясно, что трудно себе представить, что все пять мутаций произошли одновременно. Поэтому они должны были происходить последовательно, и каждая последующая мутация должна давать селективное преимущество по сравнению с предыдущей. Когда вы делаете точечные замены, каждый белок должен быть более эффективным, чем предыдущий, потому что, если он будет хуже, этот вариант никогда не закрепится, не заменит существующий. И оказалось, что есть только один путь, который удовлетворяет этому критерию.

Почему это важно для теории эволюции. Иногда говорят: «Как же вы хотите, чтобы у вас были изменения, у вас же промежуточные формы будут такими уродами, которые ни к чему не приспособлены и выживать не будут». Оказывается, что нет: этот пример показывает, что есть последовательность эволюционных событий, когда у промежуточных форм, каждый новый вариант лучше предыдущего.

А картинка с ВИЧ, то есть с вирусом СПИДа. Это, наверно, первый случай, когда теория молекулярной эволюции применялась в судебной практике – не эволюцию судили, а эволюция была доказательством. Ситуация была такая: один дантист во Флориде заразил кучу своих пациентов СПИДом, и когда его судили, адвокат сказал: «Как же так, говорят, что он один всех заразил, а последовательности вирусов у всех разные». Дело в том, что ВИЧ меняется совсем быстро, и даже внутри одного человека живут популяции несколько различающихся вирусов. И тогда нарисовали это дерево и показали, что штаммы вируса, выделенные из дантиста, и штаммы, выделенные из пациентов, образуют плотную ветку, т.е., являются ближайшими родственниками друг другу. А порядок их ветвления соответствует записям в книжке дантиста, т.е., он их заражал в том порядке, в каком они записывались на прием.

Современная концепция в систематике является динамической. Она основана не только на использовании названных выше свойств, но и на учете географического распространения, экологических потребностей, генетических механизмов и степени, репродуктивной изоляции классифицируемых организмов. В современной классификации растений и животных имеется много спорных вопросов, т. к. одни биологи склонны укрупнять систематические единицы, тогда как другие стремятся их детализировать. Поэтому существует несколько классификаций как растений, так и животных. В приводимом ниже описании разнообразия организмов используется классификация, исходным моментом которой является разделение живого мира на царства растений и животных.

Современная систематика развивается в тесной связи с другими биологическими науками, особенно с эволюционной морфологией, цитологией, генетикой, биохимией, экологией, биогеографией. Она не просто интегрирует огромную информацию, большое разнообразие фактов, полученных специалистами естественных наук, но и свидетельствует о единстве живой природы, устанавливает родственные связи между живыми организмами, сходство и различие в животном и растительном мире.

Система классификации основана на выделении определенных соподчиненных друг другу систематических категорий – видов, родов, семейств, порядков (отрядов), классов, отделов (типов). Существуют и промежуточные таксономические единицы – надкласс, подкласс, подсемейство, подрод. В пределах вида различают подвиды, разновидности, формы.

По современной классификации все живые организмы разделены на два надцарства – Доядерные (Прокариоты ) и Ядерные (Эукариоты ). Характерной чертой организмов первого из этих надцарств является отсутствие у них ограниченного мембраной клеточного ядра. В это надцарство входят: Царство Протобионтов, Царство Архебионтов, Царство Бактерий.

Надцарство Ядерные (Эукариоты) включает организмы, клетки которых содержат ядра, отделенные от цитоплазмой мембраной. Эукариоты характеризуются одно- и многоклеточной организацией, возникли в результате симбиотической эволюции различных представителей бактерий. Это надцарство состоит из четырех царств: Царство Протисты, Царство Грибы, Царство Растения, Царство Животные.

Царство Протобионтов. Смешанная группа биологических объектов, главным признаком которых является неклеточная организация. Сюда входят вирусы, их гипотетические аналоги, обитавшие в первичном бульоне, а также коацерватные белковые капли, постулированные А.И.Опариным в его теории происхождения жизни. Единственными представителями этого царства в настоящее время являются вирусы.