Urmas Kõljalg

Urmas Kõljalg

Organismide mitmekesisus

Bakterid (Tiina Alamäe)Protistid (Kalle Olli)

Seened (Urmas Kõljalg)Taimed (Arne Sellin, Ülle Reier)

Loomad (Mati Martin)ATOL

Kolm kontrolltööd

Organismide mitmekesisus

Bakterid, protistid ja seened

Taimed

LoomadATOL

Bioloogiline mitmekesisus

Organismide mitmekesisus

Kõljalg, U. 2002. Kas bioloogiline mitmekesisus vajab biosüstemaatikat? Akadeemia 8: 1681-1689.

ATOL

Peamised küsimused millele BM vastuseid otsib on:

Kuidas BM on tekkinud?

Kus ta esineb?

Miks on BM tähtis e. vajalik?

Mida tuleks BM säilitamiseks teha?

ATOL

Ökoloogiline mitmek.

Geneetiline mitmek.

Organismide mitmek.

  Riik  Hõimkond

Bioom  Selts

Ökosüsteem  Sugukond  Perekond

Kooslus   LiikPopulatsioon Populatsioon Populatsioon  Indiviid Indiviid  Geen    Nukleotiid       

BM elemendid

* Bioloogiat võimalik jagada erinevateks distsipliinidekslähtudes organismirühmadest või käsitlusviisi järgi.

Organism: Käsitlusviis:Zooloogia (Entomoloogia) BiosüstemaatikaBotaanika (Algoloogia) EvolutsiooniõpetusMükoloogia (Lihhenoloogia) ÖkoloogiaBakterioloogia GeneetikaMikrobioloogia BiokeemiaViroloogia Molekulaarbioloogia

FüsioloogiaBioinformaatika

Biosüstemaatika

Eksamiks:

E. Parmasto. 1996. Biosüstemaatika.PDF fail aadressilhttp://www.botany.ut.ee/lectures/mukoloogia/

NB! 1-9 lk (k.a. lk 10 ülemine lõik)

http://tolweb.org/tree/

A collaborative Internet project containing information about phylogeny and biodiversity

1. Kuni 20 saj. elusloodus jaotatud kaheks - taimed ja loomad.

2. 1950-1960 jõuti arusaamisele, et olemasolevasse süsteemiei saa paigutada seeni, protiste ja baktereid.

3. 1970-tel eluslooduse viie riigi aktsepteerimine. Hakati vahettegema prokarüootidel (bakterid) ja eukarüootidel (taimed, loomad, seened ja protistid).

(NB! Mittemolekulaarsed tunnused)

1970-te lõpus tabas teadusüldsust suur üllatus - avastati täiesti uus organismide rühm, mida hakati nimetama arhedeks (Archaea).

Dr. Carl Woese (Illinoisi Ülikool) uuris molekulaarsete meetodite abil prokarüoote. Leidsid, et nn. bakterid mis eelistavad kõrget temperatuuri või toodavad metaani on molekulaarsete tunnuste põhjal väga erinevad nii nn. tavalistest bakteritest kui ka eukarüootidest.

Woese ettepanek jagada elusloodus komeks domeeniks (domain): eukarüoodid, eubakterid ja arhebakterid. Hiljem lihtsalt arhed.

Morfoloogia-anatoomia versus molekulaarsed tunnused

Bakterid

Eukarüoodid

Arhed

Bakterid (“tõelised bakterid”, mitokondrid ja kloroplastid)

Arhed (nn. arhebakterid)

Eukarüoodid (protistid, taimed, seened, loomad)

?Viirused

Fischerella (Eubacteria, Cyanobacteria)

(Eukaryotes, Coleoptera)

(Eukaryotes, Asteraceae)

Arhed

Kuumaveeallikad (Yellowstone’i Rahvuspark, USA)

Mikroskoobis bakteritega sarnased. Keeruline kulti-veerida. Biokeemiliselt ja molekulaarsete tunnuste põhjal bakteritest sama erinevad kui inimene!

Arhed

Ekstreemsetes keskkonnatingimustesOokeanide sügavates kihtides. Temperatuuril üle +100˚C. Kuumaveeallikad. Loomade (lehmad, termiidid, meres elavad liigid) seedetraktis kus toodavad metaani. Nafta maardlates. Ülisoolases vee.

Avamere planktoni koosseisus

Arhed

Pyrodictium sp. Pyrolobus sp. (+113°C) Pyrobaculum sp.

Bakterid

(Tsüanobakterid e. sinikud)

Prochloron

Spirulina

Bakterid

Bakterid (“tõelised bakterid”, mitokondrid ja kloroplastid

Arhed (nn. arhebakterid)

Eukarüoodid (protistid, taimed, seened, loomad)

Fischerella (Eubacteria, Cyanobacteria)

(Eukaryotes, Coleoptera)

(Eukaryotes, Asteraceae)

Loomad

Dinoflagellaadid, tsiliaadidStramenopiilid

PunavetikadTaimed

Teised protistid, ca 60 fülogeneesi haru

Seened

Acantharea sp.

Loomad

Meduusid, meriroosid, korallid

Käsnad

Käsn (Haliclona)Ctenophora meriroos

Seened

Taimed

Hepatica sp.

Chlamydomonas(Chlorophyceae)

Spirogyra(Zygnemetales)

Coleochaete(Coleochaetales)

Eesti Liikide Register

http://unite.ut.ee/temp/

http://www.ut.ee/natmuseum/

Biosüstemaatika on teadus elusorganismide mitmekesisusest.

Esmane ülesanne:Taksonoomilise (bio)informatsiooni süsteemi loomine. Varustab kõiki, kellel on selleks vajadus, võrdlevate andmetega elusorganismide kohta.

Süstemaatika või biosüstemaatika?

Üldises kontekstis - biosüstemaatika (keeleteadus, eluta loodus jne.)

Bioloogilises tekstis - süstemaatika.

Süstemaatika (1737) ja taksonoomia (1813)

Erinevates koolkondades erinev tähendus. Euroopas süstemaatika tähistab praktilist klassifitseerimistööd ja taksonoomia klassifitseerimise teooriat, printsiipe ja reegleid. Põhja-Ameerikas aga vastupidine traditsioon.

Tänapäeval üha enam:süstemaatika = taksonoomia

Bioinformaatika (ingl.k. bioinformatics)(ka bioloogilise mitmekesisuse informaatika – ingl.k.

biodiversity informatics)

Ülevaade biosüstemaatikaga seotud bioinformaatikast (bioloogilise mitmekesisuse informaatikast).

Peamised biosüstemaatika valdkonnad millega bioinformaatika tegeleb

- Taksonoomilised nimed ja klassifikatsioon

- Taksonite tunnused (taksonite kirjeldused, määrajad, fülogeneesi tunnused)

- Eksemplaride andmed ja liikide levik

Taksonoomilised nimed ja klassifikatsioon

Taksonoomia – õpetus organismide teaduslikust nimetamisest. Taksonoomia annab rahvusvaheliselt tunnustatud süsteemi organismirühmade nimetamiseks liigist elusorganismide riikideni välja.

Klassifikatsioonid rühmitavad väiksemad organismi rühmad suuremateks. Võimalik ka vastupidine klassifitseerimine – suuremad rühmad jagatakse väiksemateks.

Organismirühma (taksoni) eristamine ja tema nimetamine

on kaks täiesti erinevat protsessi. Taksoni (liigi, perekonna,

sugukonna, riigi) eristamine on teaduslik hüpotees selle

taksoni reaalsusest. Hüpotees on ümberlükatav. Taksoni

nimetamine lähtub kindlast reeglistikust, mis on sätestatud

kolme rahvusvahelise nomenklatuuri koodeksi poolt

(mikrobioloogia, botaanika ja zooloogia).

Taksoni eristamine ja tema nimetamine.

Ascaphus truei Stejneger

tüüpeksemplar

Taksoni eristamine ja tema nimetamine.

Ascaphus truei Stejneger

tüüpeksemplar

Taksoni eristamine ja tema nimetamine.

Ascaphus truei Stejneger

tüüpeksemplar: TAA172071

Ascaphus new sp.

Tüüpeksemplar: GB51302

Carl Linnaeus Karl Popper

Karl Popper väitis, et

teaduslik hüpotees peab

olema falsifitseeritav ja et

teooriat ei saa nimetada

teaduslikuks kui seda ei

ole võimalik ümber lükata.

Nomenklatuuri ja klassifikatsiooni andmete hulk

Teaduse poolt on kirjeldatud ligi 2miljonit liiki. Iga

aktsepteeritud liiginime kohta tuleb keskmiselt üks kuni kaks

sünonüümi. S.t. kirjeldatud liikide arv on kindlalt alla ühe

miljoni. Mingi organismide rühma teaduslike nimede

nimekirja koostamine kestab tavaliselt aastaid.

Olulisemad projektid- taksonoomilised andmebaasid

GBIF

NCBI (”GenBank”), EMBL

Tree of Life

UNITE

Taksonite tunnused

Organismide tunnuste (atribuutide) uurimine, analüüsimine ja

kirjeldamine on süstemaatiku üks olulisemaid töövaldkondi.

Veelgi olulisem ja aeganõudvam on tunnuste varieeruvuse

uurimine eksemplari, populatsiooni, liigi või ka kõrgema

taksoni piires. Selle uurimistöö käigus uuritakse reeglina

tuhandeid eksemplare, mille tulemusena tekivad mahukad

andmebaasid.

Milleks see vajalik on?

Kõigepealt muidugi taksonite eristamiseks ja kirjeldamiseks.

Korrektsed kirjeldused omakorda võimaldavad teistel

teadlastel neid taksoneid edukalt määrata või määrata nende

tunnuste abil taksonite vahelist sugulust.

Taksonite kirjeldused ja määrajad

Mis on molekulaar- ja morfoloogiline süstemaatika?

Kasutatavate tunnuste kaudu

Kas molekulaarsed ja morfoloogilised tunnused on kuidagi vastuolus?

Organismi tasemel ilmselt mitte, sest fenotüüp baseerub genotüübil. Identse

genotüübi korral on organismid ka morfoloogiliselt identsed.

Vastuolud võivad tekkida kui me hakkame organisme rühmitama.

Kui morfoloogiliste tunnuste põhjal eristatud takson(id) ei lange kokku

molekulaarsete tunnuste baasil saadud rühmadega, siis ei ole probleem mitte

molekulaarsete ja morfoloogiliste tunnuste vastuolus vaid:

- valitud morfoloogilised tunnused on sobimatud

- valitud molekulaarsed tunnused on sobimatud

- antud rühmal puuduvad ühised neid iseloomustavad morfoloogilised või

molekulaarsed tunnused

- mõlemad tunnuste rühmad on valesti valitud

Molekulaarsed andmed toetavad

inimese ja simpansi sugulust.

Morfoloogilised andmed toetasaid simpansi ja gorilla vahelist sugulust.

Nikaido et al, 1999. Phylogenetic relationships among cetartiodactyls based on insertions of short and long interpersed elements: Hippopotamuses are the closest extant relatives of whales PNAS 96 (18), 10261-10266.

Vaalade ja jõehobu sugulus on veidi keerulisem juhtum, mis viitab fülogeneesi puude lihtsustatud käsitlemise võimalusele. Molekulaarsete andmete

põhjal on tegemist sõsarrühmadega.

Ligikaudu 50 miljonit aastat tagasi elanud vaala eellane. Elas

maal aga oli tõenäoliselt võimeline jõgedest kalu püüdma.

Thewissen et al. 2001. Skeletons of terrestrial cetaceans and the relationship of whales to artiodactyls . Nature 413 , 277-281. 

Kunstniku kujutis varajasest vaalast

(perek. Rodhocetus), kes elas ligikaudu 47 miljonit aastat tagasi.

Gingerich et al. 2001. Origin of Whales from Early Artiodactyls: Hands and Feet of Eocene Protocetidae from Pakistan. Science 293: 2239-2242.

Oluline mitte tekitada asjatuid barjääre (kaks eri tüüpi süstemaatikat!) vaid rõhutada, et genotüüp ja fenotüüp on lahutamatud ning süstemaatikas on mõlemad väga tähtsad.

Tunnused ja nende rakendatavus

Molekulaarsetel ja mofoloogilistel tunnustel on oma eripärad, millest lähtuvalt saab teatud teaduslikke küsimusi lahendada

ainult ühte tüüpi tunnuste abil.

Isend

Populatsioon

Liik

Perekond

Sugukond

Selts

Klass

Riik

Domeen

Morfoloogilised tunnused

sobivad sõltuvalt organismirühmas

t liigi ja kõrgemale

tasemel

Molekulaarsed tunnused

sobivad kõigil tasemetel. Õige

DNA regiooni valik

Kuidas valida õiged tunnused erinevate taksonite tarvis?

Molekulaarsete tunnuste alusel

saadud eukarüootide

fülogeneesi puu.

Molekulaarsete tunnuste

peamiseks eeliseks

morfoloogiliste ees on suur tunnuste

arv.

Rokas 2003 Nature 425, 798-804 (23 Oct 2003)

Pagaripärmi (Saccharomyces) 7 liiki

Rokas 2003 Nature 425, 798-804 (23 Oct 2003)

(DNA triipkoodDNA Barcoding)

Identifitseerimine

BiogeograafiaPopulatsioonigeneetika

Ökoloogia

(DNA triipkood)Identifitseerimine

GenBankEMBL

spetsialiseeritud andmepangad

(DNA triipkood)Identifitseerimine

http://unite.ut.ee/

CGGGGACATGTGCACGCTCTGTTTGCACATCCATTCACACCTGTGCACCCTCTGTAGTTCTGCAGCCTGGGGGGCTCTGGCCCCCTGCCGTGGTTCTATGTATTTACACACACACATAAGTAATGTGAATTGCAGAATTCAGTGAATCATCGAATCTTTGAACGCACCTTGCGCCCTTTGGCTATTCCGAAGGCATGCCTGTTTGAGTATCATGAACACCTCAACTCTCATGGCTTGCCATGATGAGCTTGGACTTTGGGGGTCTTGCTGGCCTGGGGTCAGCTCCTCTCAAATGAATTAGCTTGCCAGTGTTTGGTGTGGTATCATGGGTGTGATAACTATCTACGCTTGTGGTTTTCCACCAGGTAACCTTCTGCGACAAAGGTTCGCTGGGGCTCATAAATGTCTCTCCTCGGTGAGGACAGCTTTTTGAACGTTTGATCTCAAATCAGGTAGGACTACCCGCTGAACTTAAGC

DNA kiip (microarray)

DNA kiip (microarray)