Sistemātika
Sistemātika ir bioloģijas nozare,
kura nodarbojas ar dažādu dzīvo organismu sakārtošanu saistītās un pakārtotās
grupās, vadoties pēc to savstarpējās radniecības. Pakārtotās grupas sauc
par taksoniem. Šādā sistēmā sīkākais taksons ir suga, bet
lielāko sauc par valsti. Virzienā no lielākā taksona uz sīkākajiem,
šāda sistēma zarojas līdzīgi kokam.
Līdz mikroorganismu atklāšanai bija
viennozīmīgi skaidrs, ka visi dzīvie organismi dalās divās valstīs – augos
(nespēj pārvietoties, spēj uzņemt un izmantot saules gaismas enerģiju –
veikt fotosintēzi) un dzīvniekos (vairumā gadījumu spēj aktīvi
pārvietoties, nespēj uzņemt saules enerģiju un veikt fotosintēzi). Šādu
dzīvo organismu iedalījumu plaši sāka lietot kopš 1850 gada.
Mikroskopisko organismu atklāšana
šajā sistēmā ieviesa zināmu neizpratni, kas tad kurai valstij pieder, jo
vairākiem vienšūņiem atklājās gan augu gan dzīvnieku valstij raksturīgas
iezīmes. Vēl jo grūtāk bija saprast, ko darīt ar sēnēm, jo tās var
būt gan mikroskopiskas gan sasniegt metru simtos mērāmus apmērus, tādejādi
izvirzoties par pasaules lielākajiem dzīvajiem organismiem.
Ilgu laiku par lielāko dzīvo organismu
uzskatīja zilo vali, kura garums sasniedz 25 m un kura masa ir aptuveni
100 tonnas. Zilais valis droši saglabā savas līdera pozīcijas starp zīdītājiem
un dzīvniekiem kopumā, taču, pētot sēņu pasauli, atklājās, ka atsevišķas
sēnes var sasniegt fantastiskus izmērus. Patreiz lielākās atklātās sēnes
diametrs (Zilajos kalnos austrumu Oregonā, ASV) ir aptuveni 6,5 kilometri
un tās aizņemtajā platībā varētu izbūvēt vairāk kā 1 600 futbola laukumus
(880 ha), sēnes masa tiek vērtēta ap 8 000 tonnām. Šīs sēnes zinātniskais
nosaukums ir Armillaria ostoyae (1. att.) un tā parazitē uz mūžzaļo
koku saknēm. Tiesa gan pati sēne slēpjas zem zemes, un par tās esamību
liecina lielā platībā vārguļojoši koki un sēnes augļķermeņi, kuri ik pa
laikam parādās virs zemes. Interesanti, ka aizdomas par šīs milzīgās sēnes
esamību radās tikai 1998. gadā, kaut gan zinātnieki vērtē, ka tā sākusi
augt pirms 2 000 – 2 400 gadiem.
1. att. Armillaria ostoyae
augļķermeņi. www.exn.ca/Stories/2000/08/08/54.asp
Viennozīmīgs nav arī jautājums par
baktērijām.
Tās gan visas ir mikroskopiskas, taču pēc savas uzbūves, dzīvei nepieciešamajiem
apstākļiem, fizioloģijas un dzīves veida ir tik atšķirīgas (dažas baktērijas
līdzīgi augiem spēj uzņemt un izmantot saules gaismas enerģiju), ka daži
autori baktērijas vēlas iedalīt pat vairākās atsevišķās valstīs.
Nav īsti skaidrs, kur šajā sistēmā
vieta būtu vīrusiem un vai vīrusi vispār pieskaitāmi pie dzīvajiem
organismiem, jo paši par sevi, bez citu dzīvu šūnu līdzdalības, tie dzīvības
procesus realizēt nespēj. Tomēr, no otras puses, tie veidoti no organiskajām
vielām, kuras saistītas ar dzīvības procesu norisēm, tiem ir savs raksturīgs
un reproducējams ģenētiskais materiāls.
Vēl smagāks jautājums - kur šajā
sistēmā novietot prionus (agrāk tika saukti par lēnajiem vīrusiem),
kuri pēdējā laikā nonākuši sabiedrības uzmanības centrā saistībā ar liellopu
sūkļveida encifalopātijas (trako govju slimības) uzliesmojumiem.
Tāpēc mikroskopisko organismu atklāšana
sistemātiķiem izvirzīja jautājumu – cik tad pavisam valstīs dzīvos organismus
vajag iedalīt. Lai rastu atbildi uz šo jautājumu šūnu pētījumos tika un
tiek izmantoti dažādi līmeņi:
-
Mikroskopiski - šūnas ārējā (morfoloģija)
un iekšējā uzbūve (anatomija);
-
Dzīvības procesiem nepieciešamās ķīmiskās
reakcijas (bioķīmija);
-
Iedzimtības pazīmes (ģenētika);
-
Makromolekulu uzbūve (molekulārā
bioloģija).
Šie pētījumi sniedz atbildi uz jautājumu
cik liela līdzība (tātad arī radniecība) ir starp dažādu organismu šūnām
un ļauj visas šūnas viennozīmīgi iedalīt divās lielās grupās:
Prokarioti (procaryota-
bez kodola; no grieķu vārdiem karyo – kodols un pro - pirms);
Eikarioti (eucaryota-
ar kodolu; no grieķu vārdiem karyo – kodols un eu - īsts);
Abu organismu grupu šūnu salīdzinājums
parādīts 1. tabulā.
1. tabula. Prokariotiskas un
eikariotiskas šūnas salīdzinājums.
Pazīme |
Prokariotiska
šūna |
Eikariotiska
šūna |
Ar membrānu
norobežotas organellas |
Nav |
Ir |
Citoplazmatiskā
kustība |
Nav |
Ir |
Šūnapvalks |
Parasti
ir, tā sastāvā ietilpst peptīdglikāni |
Ja ir, tad
bez peptīdglikāniem, parasti celuloze, hitīns (ļoti reti
silikons) |
Viciņas |
No vienas
vai dažām fibrillām. |
No 20 fibrillām. |
Hromosomālās
(genomiskās) DNS novietojums |
Nukleoīdā
vai nukleārajā rajonā, nav norobežots no citoplazmas |
Atrodas
kodolā – organellā, ko apņem divkārša membrāna. |
Hromosomu
veids |
Viena cirkulāra,
haploidāla
hromosoma |
Vairākas
lineāras hromosomas, haploidāls vai diploidāls komplekts |
Hromosomu
organizācija |
Histonu
nav |
DNS saistīta
ar histoniem |
Citoplazmatiskā
DNS |
Plazmīdas
un episomas, atrodas tieši citoplazmā |
Mitohondriju
un hloroplastu DNS, ar divkāršu membrānu norobežotās organellās |
Gēni |
Nepārtraukti |
Veidoti
no eksoniem un introniem |
Membrānās
steroli
(pem., holesterīns) |
Nav |
Ir |
Elpošanas
sistēma |
Citoplazmatiskā
membrāna vai mezosomas |
Mitohondriji |
Elpošanas
tips |
Dažādi |
Aerobs
(piesaistot
O2) |
Ribosomas |
70-S*
(50S + 30S) |
80-S (60S
+ 40S) |
rRNS |
16S |
18S |
* S – Svedberga vienības, mērvienība,
ar kuru raksturo makromolekulu lielumu, nosaka ar ultracentrifugācijas
palīdzību.
Pamatojoties uz šīm atšķirībām tika
izteikti piedāvājumi izdalīt divas dzīvo organismu valstis prokariotus
un eikariotus (Chatton, 1937), taču vairums zinātnieku uzskatīja, ka abu
grupu ietvaros atšķirības starp pārstāvjiem ir tik lielas, ka nepieciešams
izdalīt vairāk nekā divas valstis.
Starp zinātnieku grupām viedokļi
atšķīrās un tika piedāvātas sistēmas, kurās dzīvo organismu valstu skaits
svārstās no 3 līdz 8. Vislielāko popularitāti guvušo sistēmu 1969. gadā
izstrādājis R. Witekers (2. att). Šajā sistēmā visi dzīvie organismi tiek
iedalīti piecās valstīs:
Monera apvieno visus prokariotus,
bet eikariotiskie organismi iedalīti četrās valstīs;
Protistu valstī apvienoti
visi eikariotiskie vienšūņi, kuri var būt sastopami arī kolonijās;
Sēnes (rauga sēnītes, pelējuma
sēnītes, makroskopiskās sēnes) - eikariotiski organismi, kuri barības vielas
uzsūc no apkārtējās vides, bieži apkārtējā vidē izdala īpašus lītiskus
gremošanas
enzīmus
(fermentus) ar kuru palīdzību tiek noārdītas apkārt esošas enerģētiski
bagātas bet nešķīstošas vielas. Izdalītie nzīmi šādas vielas padara šķīstošas,
un līdz ar to sēnes tās var uzsūkt. Kā piemēru var minēt koksni graujošās
sēnes, kuras izdala celulāzi – enzīmu, kurš noārda celulozi.
Šādas sēnes rada koksnes pūšanu. Līdzīgi augiem, sēņu šūnām ir šūnapvalki,
bet to sastāvā parasti nav celulozes, bet gan
glukāni, mannāni
un hitīns. Sēnes veido sporas, un tām nav kustību organoīdu (flagellu).
Vienšūnu sēnes sauc par rauga sēnītēm.
Augi – daudzšūnu eikariotiski
organismi, to raksturīgākā pazīme – spēj izmantot gaismas enerģiju un pārvērst
to ķīmiskajā enerģijā, tie attīstās no dīgļa.
Dzīvnieki – daudzšūnu eikariotiski
organismi, kuri nespēj veikt fotosintēzi un enerģiju tie uzņem ar barību,
kuras pārstrādei tiem attīstīti gremošanas orgāni (atšķirībā no sēnēm,
dzīvniekiem barības sasmalcināšana, un ķīmiska šķelšana ar lītiskajiem
enzīmiem notiek organisma iekšpusē). Vairumā gadījumu dzīvnieki spēj aktīvi
pērvietoties, to šūnām nav šūnapvalku. Šij valstij aprakstīts visvairāk
sugu, lielais vairums no tām ir kukaiņi. Valstu pārstāvju salīdzinājums dots
2. tabulā. Šai sistēmai ir arī nepilnības. Viena no tām – aļģes, kuras
var būt gan vienšūnu, gan daudzšūnu, iznāk sadalītas starp protistiem un
augiem. Tāpēc vēlāk tika ierosināts papildus izdalīt aļģu valsti. Sistēmas
papildinātajā variantā aļģes raksturo kā organismus, kuri dzīvo ūdens vidē
vai stipri mitrās vietās, tiem ir hloroplasti un iespējama fotosintēze,
var būt daudzšūnu vai vienšūnu. Aļģu tālākā iedalījumā liela nozīme hlorofila
tipam un fotosintēzes veidam, kas bieži vien ir atšķirīgs no tipiskās augu
valsts pārstāvjiem.
2. att. Dzīvo organismu iedalījums
5 valstīs. Pēc Whittaker, R.H. 1969.
New concepts of kingdoms of organisms.
Science
163: 150-161 materiāliem.
2. tabula. Piecu dzīvo organismu
valstu salīdzinājums.
Valsts |
Šūnu tips |
Šūnu organizācija |
Barošanās |
Organismi |
Aptuvens
sugu skaits |
Prokarioti
(Monera) |
Prokariotu |
Mazi vienšūņi |
Vielu absorbcija,
fotosintēze,
hemosintēze |
Baktērijas,
zilaļģes |
15 000 |
Protisti
(vienšūņi)
(Protista) |
Eikariotu |
Vienšūņi,
var veidot kolonijas |
Gremošana,
fotosintēze |
Protozoji,
aļģes |
60 000 |
Sēnes
(Fungi) |
Eikariotu |
Daudzšūnu
organismi |
Vielu absorbcija |
Raugi, pelējums,
makroskopiskās sēnes |
100 000 |
Augi
(Plantae) |
Eikariotu |
Daudzšūnu
organismi |
Fotosintēze |
Augi |
275 000 |
Dzīvnieki
(Animalia) |
Eikariotu |
Daudzšūnu
organismi |
Gremošana |
Dzīvnieki |
1 500 000 |
Zinātnes un tehnikas attīstība 20.
gs. beigās ļāva zinātniekiem noteikt un salīdzināt dažādu molekulu uzbāvi.
Šiadi dati ļauj matemātiski aprēķināt evolucionāro laika distanci kāda
šķir pētītos organismus. Tā 1994. gadā tika publicēts pētījums, kurā bija
salīdzinātas dažādu organismu 16 S ribosomālās RNS (rRNS)
nukleotīdu secības (3. att). Tika iegūts dzīvo organismu evolūcijas koks,
kurš parāda, ka starp prokariotiem ir divas grupas (Eubacteria un
Archaeobacteria),
kuras molekulu līmenī savā starpā atšķiras daudz vairāk, nekā augi no sēnēm
un dzīvniekiem (zaru garumi ir proporcionāli atšķirību lielumam). Šis atklājums
liek domāt, ka nākotnē arī starp prokariotiem nāksies izdalīt vismaz divas
dzīvo organismu valstis.
3. att. Dzīvo organismu radniecības
koks, kurš veidots salīdzinot dažādu organismu 16 S ribosomālās RNS
(rRNS) nukleotīdu secības. Zaru garums proporcionāls atšķirību lielumam.
Pēc Carl R. Woese 1994. g. materiāliem Microbiological Rewievs 58.
sēj. lpp. 1-9.
Eubacteria [bacteria] – vairums
bieži sastopamo prokariotu, kuri nemīt ekstrēmos apstākļos , tai skaitā
arī zilaļģes. Šij grupai pieder arī visas cilvēkam patogēnās baktērijas.
Zilalģes ir seni organismi, kuriem bijusi liela nozīme skābekļa atmosfēras
radīšanā uz Zemes. Eubaktērijas pēc to radniecības iedala 12 grupās. Eibaktēriju
dzīvei optimālā temperatūra ir 28 – 37oC, taču grupā var sameklēt
arī pārstāvjus, kuri dzīvo ūdens vārīšanās temperatūrai tuvos apstākļos
vai pārstāvjus, kuri dzīvo par ūdens sasalšanas punktu zemākās temperatūrās.
Archaeobacteria [archaea].
ir bioķīmiski un ģenētiski nošķirtas un šī distance no eikariotiem un eibaktērijām
ir līdzvērtīga un vienāda ar atšķirību apjomu starp eibaktērijām un eikariotiem,
tādejādi šo baktēriju grupu novietojot tuvāk eikariotiem un kopējam mūsdienu
augstāk attīstīto organismu sencim. Ar arhebaktērijām iznāk saskarties
reti, jo šīm baktērijām ir tendence dzīvot ekstrēmos vides apstākļos ar
lielu sāļu koncentrāciju, augstu temperatūru vai ļoti skābu vidi, dziļi
okeānā vai vulkāniskajos ezeros un avotos. Arī šis fakts norāda uz to,
ka arhebaktērijas palikušas vairāk uzticīgas tiem apstākļiem, kādi iespējams
uz Zemes dominēja pirms vairākiem biljoniem gadu.
Daudzas no arhebaktērijām ir anairobi
organismi
- skābeklis tām ir indīgs un vidē ar mums pierastu skābekļa koncentrāciju
tās iet bojā. Tāpat karstajos avotos mītošās arhebaktērijas „nosalst“ temperatūrā
kura zemāka par 50oC. Tās var metabolizēt sērūdeņradi vai veidot
metānu. Arheobaktērijas stipri atšķiras arī savā starpā, un varbūt tās
nākotnē tiks sadalītas pat vairākās valstīs.
Strap arhebaktērijām var izdalīt
trīs galvenās grupas:
Metānu radošās baktērijas:
anairobi, enerģiju iegūst no H2 un CO2 kā rezultātā
veidojas metāns (CH4) un ūdens. Zināmas 10, ģenētiski radnieciskas
sugas, kaut gan dzīvo stipri atšķirīgās vidēs sākot no vulkāniskiem ezeriem
un beidzot ar zīdītāju zarnu traktu.
Halofili: "sāli mīlošās"
baktērijas, dzīvo vidē ar tik lielu sāļu koncentrāciju, kāda spētu nonāvēt
vairumu no pārējām baktērijām. Baktērijas enerģiju iegūst no sāļiem. Kā
halofīlo baktēriju dzīves vietas piemērus varētu minēt Sarkano (Nāves)
jūru vai sālsezerus. Šīm arhebaktērijām šūnās atrodas rozā karotinoīdi.
Ja baktēriju ir daudz, šie pigmenti ūdenim vai nosēdumiem piešķir rozīgu
nokrāsu.
Termoacidofili: "karstumu
un skābu vidi mīlošās" baktērijas dzīvo ļoti skābā vidē (pH mazāks par
2) ar ļoti augstu temperatūru (virs 110oC). Šīs baktērijas ir
tik ļoti pielāgojušās karstumam, ka iet bojā no aukstuma, ja temperatūra
pazeminās zem 50oC.
Ja atskatās dzīvības pastāvēšans
pirmsākumu laikos, tad prokarioti bija pirmie Zemes apdzīvotāji. Visticamāk
paši pirmie prokarioti bija līdzīgi mūsdienu arhebaktērijām. Uzskata, ka
pirmie prokarioti radušies pirms 3 vai 4 biljoniem gadu. Šādu vecumu zinātnieki
noteikuši senākajām fosīlajām atliekām, kuras liecina par baktēriju
darbību. Zinātnieki domā, ka sēnes radušās aptuveni pirms 1 biljona gadiem.
Prokarioti ir rekordisti nelabvēlīgu
vides apstākļu pārciešanā. Zinātniekiem izdevies atdzīvināt sporas no baktērijām
(Bacillus permians), kuras dzīvojušas pirms 250 miljoniem gadu.
Šīs baktēriju sporas tika atrastas sāls kristālu ieslēgumos. Kristāli tika
izcelti no zemes dzīlēm, aptuveni 500 m dziļuma. Ģeologiem zināms, ka šīs
kristālu iegulas veidojušās ezerā, kurš pastāvējis aptuveni pirms 250 miljoniem
gadu. Šis atklājums zinātniekiem devis papildus stimulu cerībām atrast
dzīvas būtnes uz citām Saules sistēmas planētām un norādes īpašu uzmanību
pievērst pazemes sāļu iegulām. (Papildinformācijai R.H. Vreeland, W.D.
Rosenzweig and D.W. Powers (2000), "Isolation Of A 250 Milion-Year-Old
Bacterium From A Primary Salt Crystal," Nature 407: 897-900.)
Apskatītajās dzīvās dabas sistēmās
neparādījās vīrusi. Tas ir likumsakarīgi, jo minētās sistēmas izveidotas
balstoties uz šūnas pētījumiem, taču vīrusi uzskatāmi par dzīvības bezšūnu
formu, kuri sevi realizē parazitējot un izmantojot citu organismu šūnas.
Tāpēc vīrusus izdala atsevišķā grupā.
Kad esam iepazinuši dzīvo organismu
sistēmu, varam arī labāk izprast un nodefinēt mikrobioloģijas interešu
objektus – tie ir mikroorganismi, kuri nepieder augiem, dzīvniekiem un
protistiem: mikroskopiskās sēnes, baktērijas un arī vīrusi. Šos organismus
attiecīgi pēta mikrobioloģijas virzieni: mikoloģija (sēnes), bakteroloģija
(baktērijas) un virusoloģija (vīrusi).
Mikrobioloģijā pētāmie organismi
ir tik sīki, ka to novērošana nav iedomājama bez mikroskopa palīdzības.
|