Urmas Kõljalg
description
Transcript of 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)