Классификация в биологии
Биология — Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. 1 том — 2013
2.1. Классификация
2.1.1. Для чего она нужна?
Если вам когда-либо доводилось наблюдать, как ребенок разбирает цветные леденцы или сортирует марки, билеты на футбол или другие предметы, которые он коллекционирует, то вы, вероятно, стали свидетелем одного из наиболее характерных для нас инстинктивных действий — желания разложить все по «полочкам». В этом и состоит суть классификации. Классификация — это распределение предметов по группам на основе каких-то общих для них свойств. Раздел науки, посвященный принципам, методам и правилам классификации называют таксономией. Почему же мы охвачены желанием все классифицировать. По мнению некоторых биологов, ответ на этот вопрос очень прост: мы классифицируем предметы, явления, события, потому что это дает нам некоторое преимущество для выживания.
Когда наше восприятие оказывается перегруженным огромным числом различных раздражителей, мы, стремясь осмыслить эти раздражители, начинаем классифицировать их. Наши первые шаги в классификации могут быть ошибочными; так, например, маленький ребенок иногда может назвать собакой любой предмет на четырех ножках. Однако постепенно у человека вырабатывается определенная система, позволяющая ему справиться со сложностью окружающего мира.
На Земле обнаружено до полутора миллионов различных видов живых организмов, однако, согласно проведенным оценкам, это число должно достигать 10–100 млн. И неудивительно поэтому, что попытки классифицировать эти организмы уходят в очень далекие времена.
Существующие классификации отличаются друг от друга в зависимости от того, для каких целей они предназначаются. В древнем Китае, например, царство животных было разбито на ряд таких групп, которые в наши дни, мягко говоря, выглядят очень странными. Это, в частности, мифические животные, бездомные собаки, животные, разбившие когда-то цветочную вазу или же напоминающие издали мух. Примером более понятной классификации может служить разделение растений на ядовитые и съедобные, или животных на летающих и нелетающих. В современных же классификациях, как мы увидим далее, особый акцент, часто делается на эволюционных связях между организмами.
По мере того как наши сведения о живых организмах расширяются, изменяется и классификация. Однако следует иметь в виду, что ни одна из существующих систем классификации не может считаться совершенной, поскольку все они созданы с учетом нашего собственного удобства.
2.1.2. Таксономия
Таксономия подразделяется на две ветви: первая ветвь имеет отношение к присвоению названий организмам, это — номенклатура, а вторая — к распределению организмов по группам, это — систематика. В основе систематики лежат сходства организмов и различия между ними.
Биологическая номенклатура основана на биномиальной системе, создателем которой был шведский натуралист Карл Линней (1707–1778 гг.). В биномиальной системе каждому организму присваивается два латинских названия: родовое и видовое. Родовое название пишется с прописной буквы, видовое — со строчной. Человек, например, имеет название
Homo sapiens; здесь родовое название Homo и видовое — sapiens. Латинские названия рода и вида пишутся курсивом. Их можно написать и обычным шрифтом, но в этом случае они должны быть подчеркнуты, например Homo sapiens.
При написании латинского названия организма об этом нельзя забывать. Родовое название может быть сокращено до одной (первой) буквы, например H. sapiens. (Сокращать можно только в том случае, если непосредственно перед этим было использовано полное название организма.) Латинские названия организмов приняты во всем мире. Это дает возможность избежать путаницы, вызываемой существованием местных вариантов общепринятых названий. Так, в частности, растение Ficus caria имеет несколько широко распространенных названий: инжир, фиговое дерево, смоковница и фига. Снежного барса Uncia uncia называют также ирбисом, а у снежного барана Ovis canadensis есть еще два названия: чубук и толсторог. Не меньшая путаница возникает и в тех случаях, когда одно и то же название используется для обозначения представителей более чем одного вида. Зимовником, например, называют безвременник (Colchicum), относящийся к сем. мелантиевых, и морозник (Helleborus), относящийся к сем. лютиковых.
2.1.3. Таксономическая иерархия
Линней в конечном счете расширил биномиальную систему, включив в нее больше групп, чем только роды и виды. Он составил иерархию групп, расположив наиболее крупную группу — царство — на вершине иерархии. Разработанная им иерархия групп используется по сей день.
В нее входят следующие иерархические единицы (в порядке снижения иерархической значимости):
- Царство *
- Тип (отдел у растений) — введен Геккелем в конце XIX в.
- Класс *
- Отряд * (порядок у растений)
- Семейство — введено при жизни Линнея
- Род *
- Вид *
* Введено Линнеем
Конкретный пример классификации царства животных приведен на рис. 2.1. Как видно из приведенного рисунка, каждая группа, или таксон, может в свою очередь включать в себя ряд других групп (таксонов) более низкого ранга.
Например, в подтип Vertebrata (позвоночные) входит шесть классов, а род Homo (человек) состоит из трех видов, два из которых вымерли.
Каждой группе присущи признаки, уникальные для представителей этой группы. Такие признаки называются диагностическими. Волосяной покров, например, имеется только у млекопитающих (класс Mammalia). Следовательно, волосяной покров — диагностический признак млекопитающих. Однако млекопитающие, как птицы, пресмыкающиеся, земноводные и рыбы, обладают всеми диагностическими признаками предшествующей в иерархии группы, а именно позвоночных.
Иерархические группы могут в свою очередь, подразделяться на подгруппы, например подтип Vertebrata (позвоночные; рис. 2.1), или же, напротив, объединяться в надгруппы, такие как надкласс, если это создает некоторые удобства.
Поскольку иерархии должны быть построены так, чтобы ими было удобно пользоваться, их часто видоизменяют.
2.1.4. Виды
Из всех уровней иерархии наиболее точное определение имеет термин «вид». Вид можно определить как группу близкородственных организмов, которые могут скрещиваться друг с другом, давая фертильное потомство. В некоторых случаях скрещивание двух близкородственных организмов приводит к появлению стерильного потомства.
Так, гибрид (мул), полученный от скрещивания лошади (кобылы) и осла (самца) бесплоден. Следовательно, осел и лошадь по определению относятся к разным видам.
Мул отличается от родителей большей выносливостью, обусловленной наследованием здоровых признаков от обоих родителей (гибридная мощность).
Известны исключения из правила, касающегося фертильности потомства. Так, например, львы и тигры относятся к разным видам.
Однако, если потомство, полученное от скрещивания тигра с львицей, может дать фертильное потомство, то потомство, полученное от льва и тигрицы, стерильно. Но поскольку в природных условиях тигры, как правило, обитают в лесах, а львы — в прериях, скрещивание между ними возможно лишь в неволе.
Каждый вид обладает своими индивидуальными морфологическими, поведенческими и экологическими признаками (рис. 2.2). Если мы мысленно проследуем вверх по лестнице таксономической иерархии, то увидим, что число признаков, общих для членов одной группы, уменьшается. Например, представители одного и того же рода обладают большим числом сходных признаков, чем члены одного и того же семейства или отряда.
Как видно из сказанного, дать точное определение вида практически невозможно. И это неудивительно, поскольку с течением времени виды претерпевают определенные изменения (эволюционируют). В соответствии с теорией естественного отбора, процесс изменения видов обусловлен выживанием наиболее приспособленных особей, т. е. особей, наилучшим образом адаптированных к условиям конкретной окружающей среды. При возникновении в окружающей среде каких-либо изменений отбор благоприятствует именно таким особям, что в результате и приводит к постепенному изменению вида на протяжении многих поколений. В тех случаях, когда различные популяции одного и того же вида оказываются изолированными друг от друга, например экологическими или физическими преградами, такими как океан или горные цепи, дальнейшее развитие этих популяций может пойти разными путями и привести в конце концов к тому, что скрещивание между ними станет невозможным. Они станут разными видами. В некоторых случаях между разными видами может и не быть резких генетических различий. Так, в частности, серебристую чайку и клушу относят к разным видам, поскольку они различаются по морфологическим и поведенческим особенностям и обычно не скрещиваются. Но в некоторых случаях они гнездятся в одном и том же месте и изредка все же образуют семейные пары.
2.1.5. Искусственная и естественная классификации
Существуют два типа классификации — искусственная и естественная. В искусственной классификации за основу берут один или несколько легко различимых признаков. Она создается и применяется для решения практических задач, когда главным является удобство использования и простота. Искусственной классификацией была и упоминавшаяся уже система классификации, принятая в древнем Китае. Линней всех червеобразных организмов объединил в одну группу Vermes. В эту группу вошли крайне различные животные: от простых круглых (нематоды) и дождевых червей до змей. Классификация Линнея также относится к разряду искусственных, поскольку в ней не учитывались важные природные взаимоотношения — в частности тот факт, что у змей, например, имеется позвоночник, а у дождевого червя его нет. На самом деле змеи имеют больше общего с другими позвоночными, чем с червями. Примером искусственной классификации рыб может служить разделение их на пресноводных, морских и рыб, населяющих солоноватоводные водоемы. Эта классификация основана на предпочтении этими животными определенных условий окружающей среды. Такое разделение удобно для изучения механизмов осморегуляции. Аналогично этому всех организмов, которых можно видеть с помощью микроскопа, называют микроорганизмами, объединяя их таким образом в единую группу, удобную для изучения, но не отражающую естественных взаимосвязей.
Естественная классификация — это попытка использовать естественные взаимосвязи между организмами. В этом случае учитывается больше данных, чем в искусственной классификации, при этом принимаются во внимание не только внешние, но и внутренние признаки. Учитываются сходство в эмбриогенезе, морфологии, анатомии, физиологии, биохимии, клеточном строении и поведении. В наши дни чаще пользуются естественной и филогенетической классификациями. Филогенетическая классификация основана на эволюционных взаимосвязях. В этой системе, согласно существующим представлениям, в одну группу объединяются организмы, имеющие общего предка. Филогения (эволюционная история) той или иной группы может быть представлена в виде родословного древа, такого, например, как показано на рис. 2.3.
Наряду с уже рассмотренными классификациями существует также фенотипическая классификация. Такая классификация представляет собой попытку избежать проблемы установления эволюционного родства, которое подчас оказывается очень трудным и очень противоречивым, особенно в тех случаях, когда необходимые ископаемые остатки слишком малочисленны или вовсе отсутствуют. Слово «фенотипический» происходит от греч. phainomenon, т. е. «то, что мы видим». Эта классификация основана исключительно на внешних, т. е. видимых, признаках (фенотипическое сходство), причем все учитываемые признаки считаются одинаково важными. Учитываться могут самые разнообразные признаки организма по принципу чем больше, тем лучше. И совсем необязательно, чтобы они отражали эволюционные связи. Когда накапливается определенное число данных, на их основе рассчитывается степень сходства между различными организмами; обычно это делается с помощью компьютера, поскольку расчеты крайне сложны. Использование компьютеров в этих целях получило название численной таксономии.
Фенотипические классификации часто напоминают филогенетические, хотя при их создании такая цель не преследуется.
2.1.6. Определение организмов и ключи
Определительные (диагностические) таблицы, значительно облегчают биологу идентификацию организмов. Для этого прежде всего составляют перечень признаков данного организма и затем сопоставляют их с диагностическими признаками отдельных таксономических групп. Для определения, как правило, используются легко различимые признаки, такие как форма, окрас, число конечностей, сегментов и т. д. Следовательно, определение является искусственным или фенотипическим, поскольку при этом полагаются исключительно на внешний вид (фенотип) организма. Несмотря на это, почти все диагностические таблицы позволяют определить принадлежность организма к определенному таксону, который является частью естественной филогенетической иерархической классификации.
Существуют несколько типов различных диагностических таблиц, самыми простыми из которых служат дихотомические таблицы. Эти таблицы состоят из пронумерованных (1, 2, 3 и т. д.) парных утверждений, образующих ступень. Каждая ступень представляет определенный признак. Утверждения в одной паре должны быть противоположными и взаимоисключающими. Для определения таксономической принадлежности организма рассматривают эти пары утверждений по порядку. При этом большая группа организмов по мере перехода от одной ступени к другой последовательно распадается на все меньшие группы — и так до тех пор, пока не будет установлено, к какой таксономической группе относится данный организм.
Признаки, используемые в определительных таблицах, должны быть морфологическими и легко различимыми. Они могут быть качественными, например форма брюшка и окраска, и количественными, например число волосков и высота стебля. Для определения можно использовать любые признаки, но при этом они должны быть постоянными для данного вида и не изменяться под влиянием окружающей среды. В этом смысле использование размеров и окраски часто оказывается неудачным, поскольку оба этих признака могут изменяться под влиянием окружающей среды, при смене сезонов, с возрастом или в зависимости от состояния организма в момент определения. Выбранные для определения характерные признаки должны по возможности встречаться в двух или более вариантах. Например, такой признак, как «форма стебля», может встречаться в одном из двух вариантов: либо «круглый в сечении», либо «в сечении прямоугольный».
После каждого утверждения стоит число, отсылающее нас к соответствующей ступени; если утверждение, содержащееся на данной ступени, находится в соответствии с внешним видом организма, то стоящее после него число указывает номер той ступени, которую необходимо рассмотреть следующей. Например, если при определении культивируемых бобовых (Leguminosae), включающих горох и фасоль (табл. 2.1), вы пришли к ступени 5 и увидели, что на стеблях растения нет шипов или колючек листового происхождения, то далее необходимо, пропустив ступень 6, перейти к ступени 7 и т. д. (табл. 2.1).
2.2. Пять царств
Еще сравнительно недавно по всеобщему признанию все организмы подразделяли на два царства — царство животных и царство растений.
Основное различие между животными и растениями сводили к способу питания. Животными считали тех, кто использовал в качестве пищи готовый органический материал (гетеротрофный способ питания), растениями — организмы, сами синтезирующие необходимый органический материал из неорганических соединений (автотрофный способ питания). Если точнее, то гетеротрофные организмы — это те, которые должны получать углерод в виде его органических соединений, а автотрофные организмы способны использовать углерод в неорганической форме, а именно в виде диоксида углерода (CO 2 ,углекислый газ). Животным обычно приходится разыскивать пищу и поэтому они должны быть способны к локомоции. А это предполагает наличие нервной системы, обеспечивающей координацию движений у более высокоорганизованных животных. Растения же ведут неподвижный образ жизни, они неспособны передвигаться и, следовательно, нервная система им не нужна.
Однако в этой классификации упускается из виду тот очевидный факт, что все клеточные организмы распадаются на две естественные группы, называемые теперь прокариотами и эукариотами.
Между двумя этими группами существует фундаментальное различие. Термины «прокариоты» и «эукариоты» отражают различие в локализации ДНК (генетического материала) в клетке. У прокариот ДНК не окружена ядерной мембраной и свободно плавает в цитоплазме. Иными словами, у этих клеток нет истинного (оформленного) ядра (pro — перед; karyon — ядро). В клетках же эукариот имеется настоящее ядро (еu — полностью, хорошо). Эукариоты эволюционировали от прокариот.
Деление всех организмов на животных и растения сталкивается с определенными трудностями. Например, грибы — гетеротрофы, но при этом они не способны передвигаться. Так куда же их отнести? Чтобы выйти из этого положения, было решено, что должно существовать более двух царств. В 1982 г. Маргелис и Шварц
(Margulis, Schwartz) предложили систему, предусматривающую наличие пяти царств — царство прокариот и четыре царства эукариот (рис. 2.4). Система Маргелиса и Шварца получила широкое признание и именно ее теперь рекомендуют использовать. Считают, что эукариоты образуют надцарство Eukaryotae.
Самая противоречивая группа — это протоктисты, возможно потому, что это не естественная группа. Другую группу «организмов», не укладывающихся ни в одну из систем классификации, образуют вирусы. Вирусы — это чрезвычайно мелкие частицы, состоящие только из генетического материала (ДНК или РНК), окруженного защитной белковой оболочкой. В отличие от всех других организмов вирусы не имеют клеточного строения и способны размножаться, лишь проникнув в живую клетку. А они выделены в дополнительную группу. Все мельчайшие организмы, хотя они и не образуют естественной таксономической единицы, часто объединяют в одну группу под общим названием микроорганизмы или микробы.
Эта группа включает в себя бактерии (прокариоты), вирусы, грибы и протоктисты. Такое объединение удобно в практических целях, поскольку методы, используемые для изучения этих организмов, как правило, схожи. Так, в частности, для их визуального наблюдения нужен микроскоп, а их культивирование следует проводить в асептических условиях. Наука, изучающая микроорганизмы, образует одну из ветвей биологии, называемую микробиологией.
Микроорганизмы приобретают все большее значение в таких областях науки, как биохимия, генетика, агробиология и медицина; кроме того, они составляют основу важного направления в промышленности, называемого биотехнологией. Некоторые микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, играют еще и важную экологическую роль в качестве редуцентов.