Біологія. 9 клас. Шаламов

Розділ 7. Біорізноманіття

§ 47. Біологічна систематика

Біологічні види об’єднують у таксономічні одиниці

Еволюційні процеси, розглянуті нами в попередніх параграфах, створили величезне різноманіття живих організмів, що населяють Землю. Учені неодноразово здійснювали спроби систематизувати живі організми, виділяючи ті чи ті види, а потім об’єднуючи останні в більші таксони — систематичні одиниці. Для зручності опису було розроблено ієрархію таксономічних одиниць. Історично склалося дві ієрархічні системи — ботанічна та зоологічна, які розвивалися паралельно. Річ у тім, що розроблення цих систем почалося, коли ботаніка й зоологія були окремими незалежними дисциплінами, до того, як біологія стала цілісною наукою. У таблиці 47.1 показано порівняння ієрархії таксонів у ботаніці та зоології на прикладі Соняшника однорічного й Вусача соняшникового (рис. 47.1).

Таблиця 47.1. Порівняння ієрархії таксономічних одиниць рослин і тварин

Царство

Рослини

Царство

Тварини

Відділ

Покритонасінні (Квіткові)

Тип

Членистоногі

Клас

Дводольні

Клас

Комахи

Порядок

Айстроцвіті

Ряд

Твердокрилі (Жуки)

Родина

Айстрові

Родина

Вусачі

Рід

Соняшник

Рід

Стеблові вусачі

Вид

Соняшник однорічний

Вид

Вусач соняшниковий

Спочатку все різноманіття біологічних організмів поділяли на два царства — Рослини й Тварини, пізніше до них додали царство Гриби. Відкриття Левенгуком мікроорганізмів значно розширило відоме вченим різноманіття організмів, однак перші дослідники намагалися не порушувати усталеної класифікації та відносили нововідкриті організми до одного з уже наявних царств на підставі їхньої рухливості й здатності до фотосинтезу. Подальший розвиток мікроскопії дав змогу виявити значні відмінності в клітинній будові мікроорганізмів, а головне — поділити все біорізноманіття на дві групи — прокаріотів та еукаріотів — на підставі важливої ознаки: наявності чи відсутності клітинного ядра. Але перш ніж перейти до опису сучасного погляду на біорізноманіття, звернемо увагу на одне дуже важливе, і тому нечасто порушуване, питання.

Штучна класифікація систематизує організми за довільно взятими ознаками

А яка мета систематики? Систематизувати організми можна для різних цілей, а отже, з використанням різних критеріїв. Ми можемо поділяти організми на їстівні та неїстівні, а також на такі, які з’їсти можна, але не повністю, або на такі, які можна з’їсти, але для цього потрібне спеціальне оброблення. Критеріїв для систематики чимало, а отже, класифікацій безліч. Такі класифікації, побудовані на довільно взятих ознаках, є штучними. То яка ж мета класифікації, яку створюють для своєї роботи біологи-систематики?

Рис. 47.1.

А. Соняшник однорічний. Б. Вусач соняшниковий.

Рис. 47.2. Принцип роботи найпростішого визначника

1. Суха шкіра? 2. Наявність волосся? 3. Протиставлений великий палець? 4. Прямоходіння?

Уявімо собі українського біолога, що вперше потрапив до Бразилії, на живому світі якої він знається не дуже добре1. Знайшовши якусь комаху, він хоче дізнатися про спосіб її життя. Він може просто знайти опис цієї комахи, зроблений попередніми дослідниками, але для цього йому потрібно визначити, до якого біологічного виду вона належить. Пошук комахи «за картинками» не підійде — бо надто вже різноманітні представники цього класу. Тому він має скористатися спеціальним посібником — визначником, який містить ефективний алгоритм визначення видів на підставі подвійних суджень — дихотомічного принципу2.

Працює цей принцип надзвичайно просто: спочатку дається якесь твердження про особливості виду — теза. Це твердження може стосуватися як зовнішнього вигляду організму (кількість щетинок на другому сегменті лапки в комахи чи форма пиляків у рослини), так і його біохімічних і фізіологічних властивостей (забарвлення плодового тіла гриба тим чи тим барвником, здатність бактерії рости на середовищі з певним хімічним складом). Якщо ознаки організму відповідають поданій тезі, то дослідник погоджується з нею й переходить до наступної тези. Проте якщо опис не відповідає тезі, дослідник змушений перейти до протиставленої їй антитези. Антитеза зазвичай не є протилежною тезі. Це просто інший опис, який запускає новий ланцюжок тез та антитез3. На рис. 47.2 представлено принцип роботи такого визначника.

Подібний алгоритм утворює дихотомічну схему, що також є класифікацією. Метою такої класифікації була побудова алгоритму для визначення того чи того виду живих організмів. Вона дуже зручна, і її можна застосовувати на різних рівнях організації живої матерії. Ви без труднощів знайдете дихотомічну схему у визначнику птахів Казахстану, визначнику твердокрилих Південної Америки, визначнику ґрунтових грибів, а також у канонічному, неодноразово перевиданому визначнику бактерій Берджі.

1 Не дивно! За підрахунками вчених, там мешкає 25 % біорізноманіття всієї планети.

2 Від грецької diho — надвоє та tomo — поділ, тобто на кожному етапі є два варіанти.

3 Неодноразово виникає ситуація, коли на одному з етапів визначення виявляється, що опис організму не відповідає твердженню ані в тезі, ані в антитезі. На це є три причини. Найпоширеніша — у ході визначення допущено помилку, а отже, необхідно повернутися до попередніх етапів визначення та розпочати наново. Друга — визначник, що у вас є, недостатньо докладний і описуваного виду в ньому немає. І, нарешті, найрідкісніша й найнеймовірніша причина — ви відкрили новий вид!

Карл Лінней

Народився 1707 року на півдні Швеції в селі Росхульт. Освіту здобув в Уппсальському університеті. Відомий у світі передусім як «батько систематики». Лінней запропонував штучну класифікацію природи, яка, на його думку, складалася з трьох царств: мінералів, рослин і тварин. Основна наукова праця Ліннея — «Система природи» — лягла в основу сучасної біологічної систематики. Запропоновану ним форму найменування видів за допомогою двох слів — родової назви й видового епітета — використовують до сьогодні. Дослідник увів у наукову мову близько тисячі термінів для опису будови організмів. Ще одним досягненням Ліннея було те, що людину він відніс до царства Тварини, чого раніше ніхто не робив. Карл Лінней за життя здобув всесвітню славу й визнання. За це король Швеції подарував Ліннею титул дворянина, що було надзвичайною подією. До кінця життя дослідник працював в Уппсальському університеті. Помер 1778 року і похований в Уппсальському кафедральному соборі як почесний громадянин міста.

У цього способу класифікації є дві важливі властивості: по-перше, як уже було зазначено, подібний алгоритм утворює дихотомічну схему, розгалужене дерево; по-друге, очевидно, що два організми, які перебувають на сусідніх гілках цього дерева, мають більше спільних ознак, ніж організми, віддалені один від одного на схемі. Можна припустити, що організми, які характеризуються більшою кількістю спільних ознак, є більш спорідненими між собою. Таким чином, можна зробити сміливе припущення, що подібна схема зображує еволюційні зв’язки між організмами. Проте це припущення часто виявляється помилковим.

На це теж є низка причин. По-перше, під час складання визначника використовуються лише деякі, найзручніші ознаки організму. Жоден дослідник не використовуватиме аналіз амінокислотної послідовності якогось ферменту чи аналіз структури кришталика для того, щоб відрізнити двокрапкове сонечко від семикрапкового (рис. 47.3). По-друге, у визначниках геть не враховується еволюційна сталість ознак. Деякі ознаки мало змінюються в процесі еволюції, тому наявність такої ознаки в певної групи організмів може свідчити про їхнє спільне походження. Інші ознаки менш сталі й можуть виникати та зникати в процесі еволюції багато разів. Так, дуже зручна для визначення ознака — колір крил комахи чи колір пелюсток квітки — неодноразово змінюється в ході еволюції тієї чи тієї групи. Водночас набір кісток черепа більш сталий і менш мінливий, тому не дуже зручний для аналізу. Найконсервативнішими ознаками зазвичай є послідовності білків і РНК, які не враховують під час складання подібних визначників. І нарешті, до певної класифікації потрапляють лише сучасні види, що становлять лише тонкий зріз неосяжного різноманіття форм життя.

Рис. 47.3. Різні види сонечок

А. Сонечко двокрапкове. Б. Сонечко семикрапкове.

Філогенетичні дерева демонструють еволюційні зв’язки між видами

Однак ідея побудови такої природної класифікації, яка відображала б еволюційні зв’язки між організмами, видається неймовірно привабливою, оскільки така схема була б надзвичайно корисною для дослідника. Аналізуючи подібні дерева, можна виявити механізми еволюційних перетворень, що керують розвитком життя на Землі. Дерево, що демонструє еволюційні зв’язки між організмами, називають філогенетичним. Основне завдання сучасної біологічної систематики та таксономії — побудова філогенетичних дерев. Чи можливо побудувати філогенетичне дерево? Практично — ні.

Рис. 47.4. Схематичні філогенетичні дерева

А. Дерево із вертикальним перенесенням генів. Б. Дерево із вертикальним та горизонтальним перенесенням генів.

Причина та сама: ми не маємо повної інформації про різноманіття живих організмів, що будь-коли жили на Землі. Те, що дає нам палеонтологічний літопис, — лише мала крапля в океані різноманіття, який породжує еволюція. Та й уявлення про доісторичних тварин, які ми маємо, украй фрагментарні. Так, більшість ссавців мезозойської ери (різноманіття яких було аж ніяк не меншим, ніж різноманіття динозаврів) відомі нам за зубами та фрагментами щелеп. Установити однозначні еволюційні зв’язки між ними та сучасними тваринами абсолютно неможливо, оскільки значну частину інформації про них утрачено, а також не відомі практично всі проміжні форми.

Ще одна причина, більш фундаментальна, полягає в тому, що представлення еволюції у вигляді дерева для багатьох груп організмів (прокаріотів і, можливо, деяких найпростіших) у принципі неможливе.

У більшості організмів спадкова інформація передається вертикально, тобто від батьків до дітей, від дітей до онуків і так далі. У прокаріотів і найпростіших можлива горизонтальна передача спадкової інформації, коли організми, що не є нащадками, отримують спадкову інформацію від цього організму. У підсумку нові ознаки набуватимуться не лише в результаті мутацій та їх успадкування, а й у результаті комбінування ознак різних неспоріднених організмів. У такому разі еволюційне дерево перетвориться на еволюційну мережу (рис. 47.4). Утім біологи намагаються побудувати дерево, максимально близьке до філогенетичного. Як їм це вдається, ви дізнаєтеся вже в наступному параграфі.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Назви таксонів одного рівня, за якими рослини й тварини різняться між собою, — це

  • А царство — клас
  • Б клас — порядок
  • В порядок — тип
  • Г порядок — ряд
  • Д рід — вид

2. До поділу організмів на ядерні та без’ядерні привело

  • А відкриття мікроорганізмів
  • Б накопичення знань із генетики
  • В удосконалення мікроскопа
  • Г створення клітинної теорії
  • Д експерименти Пастера, пов’язані із самозародженням

3. В одному з визначників жуків є вираз «лапки зі шкірястими пластинками». Це приклад

  • А тези
  • Б таксону
  • В дихотомічного принципу
  • Г фізіологічної ознаки організму
  • Д подвійного судження

4. Усі організми, які літають, можуть бути об’єднані в один таксон, тому можна стверджувати, що

  • А вони споріднені між собою
  • Б у них між собою багато спільних ознак
  • В вони походять один від одного
  • Г вони утворюють єдину гілку філогенетичного дерева
  • Д усі вони є різними популяціями одного виду

5. Філогенетичне дерево демонструє

  • А те, наскільки види схожі ззовні
  • Б те, наскільки види подібні за хімічним складом
  • В те, від яких видів пішли інші види
  • Г послідовність предкових видів цього виду
  • Д штучну класифікацію живих організмів

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. У чому відмінність дихотомічної класифікації від філогенетичного дерева?

7. Навіщо біологи класифікують різні організми?

8. Яку з ознак — колір крил комах чи будову черепа — доцільніше використати для побудови філогенетичного дерева?

9. Чому більшість вимерлих організмів не вдається включити до філогенетичних дерев?

10. Як наявність горизонтального перенесення генів ускладнює побудову філогенетичного дерева?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Які таксономічні одиниці є найбільшими, а які — найдрібнішими? Чому їх укрупнення чи відповідно подрібнення неможливе?

12. У чому відмінність між кладограмою та філогенетичним деревом?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. У які способи може здійснюватися горизонтальне перенесення генів? Чи можливе воно між багатоклітинними еукаріотами?

14. Які труднощі виникають перед сучасною систематикою вірусів?

Проект для дружної компанії

15. Складання дихотомічних схем класифікації.

  • 1) Спробуйте скласти дихотомічну схему класифікації для різних об’єктів: хребетних організмів, родичів, організмів, які мешкають у школі, марок автомобілів, комп’ютерних ігор тощо.
  • 2) Представте отриману схему однокласникам і запропонуйте їм прокласифікувати за нею якийсь об’єкт.
  • 3) У чому виявилися недоліки вашої схеми? Що потрібно зробити, щоб покращити її?