Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

1.2: Системний підхід

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3902

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Навчальні цілі

    • Опишіть, як класифікуються і виділяються мікроорганізми як унікальні види
    • Порівняти історичні та сучасні системи таксономії, що використовуються для класифікації мікроорганізмів

    Як тільки мікроби стали помітні людині за допомогою мікроскопів, вчені почали усвідомлювати їх величезне різноманіття. Мікроорганізми різняться різними способами, включаючи їх розмір, зовнішній вигляд, швидкість розмноження. Щоб вивчити цей неймовірно різноманітний новий масив організмів, дослідникам потрібен був спосіб систематичної їх організації.

    Наука про таксономію

    Таксономія - це класифікація, опис, ідентифікація та іменування живих організмів. Класифікація - це практика організації організмів в різні групи на основі їх спільних характеристик. Найвідомішим раннім таксономом був шведський ботанік, зоолог і лікар на ім'я Каролус Лінней (1701—1778). У 1735 році Лінней опублікував Systema Naturae, 11-сторінковий буклет, в якому він запропонував Ліннейську таксономію, систему категоризації та іменування організмів за допомогою стандартного формату, щоб вчені могли обговорювати організми, використовуючи послідовну термінологію. Він продовжував переглядати і додавати в книгу, яка розрослася в багаторазові томи (рис.\(\PageIndex{1}\)).

    Картина Каролус Лінней тримає квітку.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Шведський ботанік, зоолог і лікар Каролус Лінней розробив нову систему категоризації рослин і тварин. У цьому портреті 1853 року Хендріка Холландера Лінней тримає в руках квітку-близнюк, названий Linnaea borealis на його честь.

    У своїй таксономії Лінней розділив природний світ на три царства: тваринне, рослинне і мінеральне (мінеральне царство пізніше було покинуто). У тваринному та рослинному царствах він групував організми, використовуючи ієрархію все більш специфічних рівнів та підрівнів на основі їх подібності. Назви рівнів в оригінальній таксономії Ліннея були царство, клас, порядок, сім'я, рід (множина: пологи) та види. Вид був і продовжує залишатися найбільш специфічною і основною таксономічною одиницею.

    Розвиваються дерева життя (філогенії)

    З досягненням технологій інші вчені поступово вдосконалили систему Ліннея і врешті-решт створили нові системи для класифікації організмів. У 1800-х роках зростав інтерес до розробки таксономій, які враховували еволюційні відносини, або філогенії, всіх різних видів організмів на землі. Один із способів зобразити ці відносини - це діаграма, яка називається філогенетичним деревом (або деревом життя). На цих діаграмах групи організмів розташовані по тому, наскільки тісно вони пов'язані між собою. У ранніх філогенетичних деревах спорідненість організмів була виведена їх видимими подібностями, такими як наявність або відсутність волосся або кількість кінцівок. Тепер аналіз складніший. Сьогодні філогенні аналізи включають генетичні, біохімічні та ембріологічні порівняння, про що буде сказано далі в цьому розділі.

    Дерево життя Ліннея містило відразу дві основні гілки для всього живого: тваринного і рослинного царства. У 1866 році Ернст Геккель, німецький біолог, філософ і лікар, запропонував інше царство, Protista, для одноклітинних організмів (рис.\(\PageIndex{2}\)). Пізніше він запропонував четверте царство, Монера, для одноклітинних організмів, клітинам яких не вистачає ядер, як бактерії.

    Малюнок дерева. Підстава дерева говорить: Радикс Монера. Це розгалужується на три гілки з маркуванням Plantae, Protista та Animalia. Кожна з цих гілок розгалужується далі; кожна нова гілка позначається невеликим текстом і виділяються кластери гілок. Наприклад, до скупчень гілок у протеста відносяться: діатомаза, джгутик, протопласта і губка.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Рендер Ернста Геккеля про дерево життя, з його книги 1866 року Загальна морфологія організмів, містив три царства: Plantae, Protista та Animalia. Пізніше він додав четверте царство, Монеру, для одноклітинних організмів, які не мають ядра.

    Майже 100 років потому, в 1969 році, американський еколог Роберт Віттакер (1920—1980) запропонував додати ще одне королівство - Фунгі - у своє дерево життя. Дерево Віттакера також містило рівень категоризації вище рівня королівства - рівень імперії чи суперцарства - щоб розрізняти організми, які мають мембранні зв'язані ядра у своїх клітині (еукаріоти), і ті, які цього не роблять (прокаріоти). Імперія Прокаріота містила якраз королівство Монера. Імперія Еукаріота містила інші чотири королівства: Гриби, Протіста, Планта та Анімалія. Дерево п'ятицарства Віттакера протягом багатьох років вважалося стандартним філогеном.

    На малюнку\(\PageIndex{3}\) показано, як змінювалося дерево життя з плином часу. Зверніть увагу, що віруси не зустрічаються ні в одному з цих дерев. Це тому, що вони не складаються з клітин, і тому важко визначити, де вони впишуться в дерево життя.

    Ця хронологія починається з Каролуса Ліннея, який розробив новий спосіб класифікації рослин і тварин у 1758 році. На зображенні вище Ліннея показана роздвоєна лінія з однією гілкою, позначеною рослинами, а інша позначена тваринами. У 1866 році Ернст Геккель написав загальну морфологію організмів, запропонувавши чотири королівства. Зображення вище Геккеля показує центральну лінію з монерою, що розгалужується знизу, протисти розгалужуються поруч, потім рослини і, нарешті, тварини. У 1969 році Роберт Віттакер запропонував додати до дерева життя п'яте царство — гриби. Зображення вище Віттакера таке ж, як і вище Haeckel, але включає додаткову гілку, позначену грибами між рослинами та тваринами.
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ця хронологія показує, як змінювалася форма дерева життя протягом століть. Навіть сьогодні таксономія живих організмів постійно переоцінюється та вдосконалюється з досягненнями технологій.

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Коротко підсумуємо, як наше розуміння мікроорганізмів сприяло змінам у способі класифікації організмів.

    Клінічна спрямованість: Частина 2

    Антибіотичні препарати спеціально розроблені для знищення або пригнічення росту бактерій. Але вже через пару днів на антибіотиках Кора не виявляє ознак поліпшення. Крім того, її культури ліквору повернулися з лабораторного негативу. Оскільки бактерії або гриби не були виділені із зразка спинномозкової системи Кори, її лікар виключає бактеріальний та грибковий менінгіт. Вірусний менінгіт все ще є можливим.

    Однак Кора тепер повідомляє про деякі тривожні нові симптоми. Вона починає відчувати труднощі при ходьбі. Її м'язова жорсткість поширилася від шиї до решти тіла, а кінцівки іноді мимоволі смикаються. Крім того, когнітивні симптоми Кори погіршуються. У цей момент лікар Кори стає дуже стурбованим і призначає більше тестів на зразки ліквору.

    Вправа\(\PageIndex{2}\)

    Які типи мікроорганізмів можуть викликати симптоми Кори?

    Роль генетики в сучасній таксономії

    Дерева Геккеля і Віттакера представили гіпотези про філогенію різних організмів, засновані на легко спостережуваних характеристиках. Але поява молекулярної генетики в кінці 20 століття виявило інші способи організації філогенетичних дерев. Генетичні методи дозволяють стандартизований спосіб порівняти всі живі організми, не покладаючись на спостережувані характеристики, які часто можуть бути суб'єктивними. Сучасна таксономія значною мірою спирається на порівняння нуклеїнових кислот (дезоксирибонуклеїнової кислоти [ДНК] або рибонуклеїнової кислоти [РНК]) або білків різних організмів. Чим більше схожих нуклеїнових кислот і білків між двома організмами, тим більш тісно пов'язані вони вважаються.

    У 1970-х роках американський мікробіолог Карл Віз виявив те, що здавалося «живим записом» еволюції організмів. Він та його співробітник Джордж Фокс створили дерево життя на основі генетики, засноване на подібності та відмінності, які вони спостерігали в малій субодиниці рибосомальної РНК (рРНК) різних організмів. У процесі вони виявили, що певний тип бактерій, званий архебактеріями (тепер відомий просто як архея), значно відрізнявся від інших бактерій та еукаріотів за послідовністю малих субодиниць рРНК. Щоб врахувати цю різницю, вони створили дерево з трьома Доменами над рівнем Королівства: Архея, Бактерії та Еукарія (рис.\(\PageIndex{4}\)). Генетичний аналіз малих субодиниць рРНК свідчить про те, що архей, бактерії та еукаріоти еволюціонували із загального типу родових клітин. Дерево перекошене, щоб показати більш тісний еволюційний зв'язок між Археєю та Еукарією, ніж у них бактерії.

    Філогенетичне Древо Життя. Малюнок розгалужених ліній. Центральна лінія внизу розгалужується на дві основні гілки. На лівій гілці знаходиться бактеріальна група. Гілка праворуч підрозділяється на групи Архей і Еукарія. Додатковими гілками групи Еукарія знизу вгору є: Дипломонади, Мікроспорідії, Трихомонади, Джгутики, Ентамоеба, Усмішка цвілі, Вії, Рослини, Гриби та Тварини (який має зірку з позначкою «ти тут). Гілки вздовж групи архей знизу вгору є: Піродіктик, Термопротеус, Т. целер, Метанокок, Метанобактерій, Метаносарцин та Галофіли. Гілками групи бактерій знизу вгору є: Водоносний, Термотога, Зелені нитчасті бактерії, Бактероїди Цитофага, Грам-позитиви, Планктоміцес, Ціанобактерії, Протеобактерії та Спірохери.
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Вчені продовжують використовувати аналіз РНК, ДНК та білків, щоб визначити, як організми пов'язані. Одним цікавим і ускладнюючим відкриттям є горизонтальний перенесення генів - коли ген одного виду всмоктується в геном іншого організму. Горизонтальний перенос генів особливо поширений у мікроорганізмів і може ускладнити визначення того, як організми еволюційно пов'язані між собою. Отже, деякі вчені зараз думають з точки зору «павутини життя», а не «дерева життя».

    Вправа\(\PageIndex{3}\)

    1. У сучасній таксономії як вчені визначають, наскільки тісно пов'язані два організми?
    2. Поясніть, чому гілки на «дереві життя» все походять від єдиного «стовбура».

    Іменування мікробів

    При розробці своєї таксономії Лінней використовував систему біноміальної номенклатури, систему назв з двох слів для ідентифікації організмів за родом і видами. Наприклад, сучасні люди відносяться до роду Homo і мають видову назву sapiens, тому їх наукова назва в біноміальній номенклатурі - Homo sapiens. У біноміальній номенклатурі родова частина назви завжди пишеться з великої літери; за нею слідує назва виду, яка не пишеться з великої літери. Обидва назви виділені курсивом.

    Таксономічні назви в 18-20 століттях, як правило, були похідні від латинської мови, оскільки це була загальна мова, яку використовували вчені, коли вперше були створені таксономічні системи. Сьогодні нововиявленим організмам можна дати назви, похідні від латинської, грецької чи англійської мов. Іноді ці назви відображають якусь відмінну рису організму; в інших випадках мікроорганізми називаються на честь вчених, які їх виявили. Археон Haloquadratum walsbyi є прикладом обох цих схем іменування. Рід, Haloquadratum, описує середовище існування морської води мікроорганізму (ореол походить від грецького слова «сіль»), а також розташування його квадратних клітин, які розташовані в квадратних скупченнях з чотирьох клітин (quadratum - латинське слово «foursquare»). Вид, walsbyi, названий на честь Ентоні Едварда Уолсбі, мікробіолога, який відкрив Haloquadratum walsbyi в 1980 році. Хоча може здатися легше дати організму загальну описову назву - як рудий дятел - ми можемо уявити, як це може стати проблематичним. Що відбувається, коли виявлений інший вид дятел з червоною забарвленням голови? Систематична номенклатура використання вченими усуває цю потенційну проблему, привласнюючи кожному організму єдине, унікальне двословне ім'я, яке визнається вченими всього світу.

    У цьому тексті ми зазвичай скорочуємо рід і вид організму після його першої згадки. Скорочена форма - це просто перший початковий рід, за яким слідують період і повна назва виду. Наприклад, бактерія Escherichia coli скорочується до кишкової палички в скороченому вигляді. Ви зіткнетеся з цією ж конвенцією і в інших наукових текстах.

    Посібники Бергея

    Незалежно від того, чи в дереві чи павутині, мікроби можуть бути важко ідентифікувати та класифікувати. Без легко помітних макроскопічних ознак, таких як пір'я, стопи або хутро, вчені повинні захоплювати, рости та розробляти способи вивчення їх біохімічних властивостей для диференціації та класифікації мікробів. Незважаючи на ці перешкоди, група мікробіологів створила і оновила набір посібників для ідентифікації та класифікації мікроорганізмів. Вперше опублікований в 1923 році і з тих пір оновлювався багато разів, Посібник Бергея з детермінативної бактеріології та Посібник Бергея з систематичної бактеріології є стандартними посиланнями для ідентифікації та класифікації різних прокаріотів. (Додаток D цього підручника частково базується на посібниках Бергея; він показує, як класифікуються організми, що фігурують у цьому підручнику.) Оскільки так багато бактерій виглядають однаково, для їх ідентифікації необхідно використовувати методи, засновані на невізуальних характеристиках. Наприклад, біохімічні тести можуть бути використані для виявлення хімічних речовин, унікальних для певних видів. Так само серологічні тести можуть бути використані для виявлення специфічних антитіл, які реагуватимуть проти білків, знайдених у певних видів. Зрештою, секвенування ДНК та рРНК може бути використано як для ідентифікації певного виду бактерій, так і для класифікації знову виявлених видів.

    Вправа\(\PageIndex{4}\)

    • Що таке біноміальна номенклатура і чому вона є корисним інструментом для іменування організмів?
    • Поясніть, чому такий ресурс, як один з посібників Бергея, був би корисним для ідентифікації мікроорганізму у зразку.

    Те саме ім'я, різний штам

    В межах одного виду мікроорганізмів може бути кілька підтипів, які називаються штамами. Хоча різні штами можуть бути майже однаковими генетично, вони можуть мати дуже різні атрибути. Бактерія Escherichia coli сумнозвісна тим, що викликає харчове отруєння та діарею мандрівника. Однак насправді існує багато різних штамів кишкової палички, і вони різняться за своєю здатністю викликати захворювання.

    Один патогенний (хвороботворний) штам кишкової палички, про який ви, можливо, чули, є кишкова паличка O157: H7. У людини інфекція кишковою паличкою O157: H7 може викликати спазми в животі та діарею. Інфекція зазвичай походить від забрудненої води або їжі, особливо сирих овочів і недовареного м'яса. У 1990-х роках було кілька великих спалахів кишкової палички O157: H7, як вважалося, виникли в недоварених гамбургерах.

    Хоча кишкова паличка O157: H7 та деякі інші штами дали E. coli погану назву, більшість штамів кишкової палички не викликають захворювання. Насправді, деякі можуть бути корисними. Різні штами кишкової палички, що містяться природним чином у нашому кишечнику, допомагають нам перетравлювати їжу, забезпечувати нас необхідними хімічними речовинами та боротися з патогенними мікробами.

    Резюме

    • Каролус Лінней розробив таксономічну систему класифікації організмів за спорідненими групами.
    • Біноміальна номенклатура присвоює організмам латинізовані наукові назви з позначенням роду і виду.
    • Філогенетичне дерево - це спосіб показати, як різні організми, як вважають, пов'язані один з одним з еволюційної точки зору.
    • Перше філогенетичне дерево містило царства для рослин і тварин; Ернст Геккель запропонував додати королівство для протистів.
    • Дерево Роберта Віттакера містило п'ять королівств: Animalia, Plantae, Protista, Fungs та Monera.
    • Карл Возе використовував невелику субодиницю рибосомальної РНК для створення філогенетичного дерева, яке групує організми на три області на основі їх генетичної подібності.
    • Посібники Бергея з детермінативної та системної бактеріології є стандартними посиланнями для ідентифікації та класифікації бактерій відповідно.
    • Бактерії можуть бути ідентифіковані за допомогою біохімічних тестів, аналізу ДНК/РНК та методів серологічного тестування.

    Глосарій

    біноміальна номенклатура
    універсальна конвенція для наукового іменування організмів з використанням латинізованих назв для роду і видів
    еукаріот
    організм, що складається з однієї або декількох клітин, які містять мембрани зв'язані ядро і органели
    філогенія
    еволюційна історія групи організмів
    прокаріот
    організм, клітинна структура якого не включає мембранно-пов'язане ядро
    таксономії
    класифікація, опис, ідентифікація та найменування живих організмів