Fylogenetika

FYLOGENETIKA

Již od pradávna se lidé snažili zorientovat se ve velkém množství organizmů, které každý den pozorovali okolo sebe. Protože je člověk tvor toužící po řádu a pořádku, začali lidé organizmy pojmenovávat a třídit. Nejprve se tak dělo podle nejmarkantnějších znaků, jako je třeba žlutá barva květu. Záhy však lidé přišli na to, že existují znaky důležité a znaky podružné. Barva květu patří zrovna mezi znaky druhořadé.

V současné době se používá kombinace různý typů znaků k určení příbuznosti a sestavování systémů. Jsou to znaky anatomické a morfologické – stejný tvar částí těla, znaky vývojové – například stejný embryonální vývoj a v poslední době znaky molekulární – stejné části molekuly DNA, RNA či proteinů. Molekulární znaky v současné době nabývají na významu a přestavují předešlé systémy. Stává se, že podle molekulárních znaků zjistíme příbuznost organizmů, která by nás jinak nenapadla.

Systémy jsou nyní vytvářeny tak, aby sdružovaly do skupin příbuzné organizmy. To jsou ty, které mají společného předka. Skupiny vznikají v systémech podle jistých pravidel. Dobře vytvořená systematická skupina zahrnuje všechny potomky společného předka. Takto vytvořené systematické jednotce říkáme monofyletická skupina (Obr. č. 9).

Obrázek 9: Jednotlivé typy taxonů.

Poměrně často se však setkáváme s tím, že je z takovéto skupiny uměle vyčleněna část organizmů, která do původní skupiny sice patří, ale my ji tam nezařadíme. Tato jednotka se nazývá parafyletická skupina. Asi nejznámější parafyletickou skupinou jsou plazi. Třída plazi by měla obsahovat předka všech současných plazů a všechny jeho potomky, včetně vyhynulých skupin. Nikoho nepřekvapí, že jsou mezi plazy zařazeni dinosauři. Potíž je v tom, že existuje samostatná třída ptáci a ptáci jsou přitom přímými potomky dinosaurů. Aby třída plazi byla monofyletická, musela by obsahovat i ptáky. Z historického hlediska však ptáci zůstávají samostatnou třídou. Poslední a naprosto špatně vytvořenou skupinou je skupina polyfyletická. Je to skupina, která nemá společného předka. Příkladem by mohli být tlustokožci, do kterých bychom zahrnuli slony (chobotnatci), hrochy (sudokopytníci) a nosorožce (lichokopytníci).

TAXONOMIE A KLADISTIKA

Hodně zjednodušeně řečeno se smysluplný pořádek v organizmech snaží vytvořit dva přístupy. U obou najdeme klady i zápory. Jedním přístupem je systematická taxonomie a druhým kladistika.

Taxonomie funguje už od dob Carla Linného (1707 - 1778) a snaží se vytvořit hierarchicky uspořádané kategorie, do nichž by se dal zařadit jakýkoli organizmus. Nejvýše stojí říše a pod ní jsou postupně kmeny, třídy, řády, čeledi, rody a druhy. Toto jsou hlavní taxonomické jednotky. U velkých skupin, jako jsou například členovci, zavádíme navíc vedlejší systematické jednotky, které jsou tvořeny předponou nad, či pod (nadtřída, podtřída; nadřád, podřád…).

Výhodou tohoto přístupu je lepší uchopitelnost a je také vhodnější z didaktického hlediska, každý organizmus má svou přihrádku, je pevně začleněn do systematických kategorií. Člověk může přesně zařadit levharta skvrnitého až po kmen strunatci, říše živočišná (Obr. č. 10).

Nevýhodou tohoto přístupu je obtížnost správného výběru taxonomické úrovně. Jakákoli vyšší taxonomická jednotka než druh (rod, čeleď, řád…) v přírodě neexistuje. Jsou to abstraktní kategorie určené lidmi. A protože třeba taková třída v přírodě neexistuje, tak si jí může každý taxonom určit podle svého. Jak zajistit, aby třída v kmeni členovci měla stejnou váhu jako třída v kmeni měkkýši? Něco takového nejde vždy zaručit. Další nevýhodou je jisté nerespektování fylogeneze. Kam zařadit předky savců? Ještě to není savec, ale je to zvíře, které nejde zařadit do žádné taxonomické jednotky (zapomeňte prosím na to, že předkem savců jsou plazi; není to pravda).

Obrázek 10: Zařazení levharta skvrnitého do systema-tických kategorií. Podobně se dá zařadit každý organizmus. Levhart patří do rodu Panthera, čeledi kočkovitých, řádu šelem, třídy savců, kmene strunatci, říše živočichové, doména eukaryota.

Obrázek 11: Toto je příklad kladogramu, který ukazuje linii vedoucí k savcům (Mammalia). Všimněte si prosím skutečnosti, že plazi (Reptilia) jsou sesterskou skupinou synapsid, což znamená, že synapsida, včetně savců, nevznikla z plazů, ale ze společného předka. Ten nebyl ani plazem, ani synapsidem.

Druhý přístup se nazývá kladistika (od slova klad – větev). Zabývá se tvorbou fylogenetických stromů. Kladistika hledá společného předka a všechny jeho potomky (Obr. č. 11). Kladistika je také absolutním vyznavačem monofyletických taxonů, které ale postrádají strukturu taxonomickou. Zde se dovíme, že se savci vyvinuli ze skupiny synapsida a že všechna synapsida, kromě savců, vyhynula na začátku druhohor. Jsou však synapsida třídou či nadtřídou? Patří synapsida do savců? Když nepatří do savců, kam tedy patří? Nejsou to ani ptáci, ani savci a rozhodně ne obojživelníci. Měli bychom pro ně vytvořit novou třídu? Pakliže pro ně vytvoříme třídu, budou do ní patřit i savci. Jinak by vznikl stejný problém jako máme s plazy a ptáky. Fylogenetické stromy jsou komplikované a obtížně se v nich hledají taxonomické kategorie.

Vzájemné příbuznosti organizmů jsou dnes hledány na molekulárně biologických základech, a také jsou z těchto dat odhadovány časové vzdálenosti jednotlivých událostí. Kdy se například rozešly linie vedoucí k dnešnímu šimpanzovi a na druhé straně k lidem. Pakliže víme, jak často dochází k mutacím v molekule DNA (mutační rychlost), můžeme z počtu odlišností v genomech (počtu mutací) určit přibližnou dobu speciace, tzn. dobu rozchodu obou linií (Obr. č. 12).

Obrázek 12: Přibližná doba rozchodu linií vedoucích k různým živočišným skupinám. Paleozoic jsou prvohory a druhohory jsou mesozoic. Cenozoic je období zahrnující třetihory a čtvrtohory. V češtině se mu také říká kenozoikum.

Současná systematika je jakousi syntézou obou přístupů. Porovnávají se všechna dostupná data. Porovnává se morfologie a anatomie organizmů, ontogenetický vývoj, morfologie chromozomů i sekvence DNA. V některých případech hraje roli i paleontologie, popřípadě geologie.

DOMÉNY ŽIVOTA

V 50. letech dvacátého století rozeznávala věda čtyři skupiny živých organizmů Monera (sem patřily tehdejší prokaryotní organizmy), Protista (jednobuněčná eukaryota, která nebyla řazena ani do jedné ze zbývajících skupin), rostliny a živočichové. V šedesátých letech Fraderick Sanger (1918 - 2013, dvojnásobný nositel Nobelovy ceny) začal se sekvenací bílkovin a jeho následovníci tyto sekvence použily k fylogenetickým studiím. Započalo období molekulární fylogenetiky. U bakterií bylo obtížné vybrat molekulu přítomnou ve všech buňkách, jež by se dala sekvenovat. Bakterie mají velmi rozdílné metabolizmy a z toho důvodu touto molekulou dost dobře nemůže být bílkovina. Nakonec byl použit gen pro rRNA (konkrétně 16S rRNA), protože ribozomy má každý organizmus.

Obrázek 13: Mladý Carl Woese.

Obrázek 14: Woesův strom života se třemi doménami.

Šance na určení fylogeneze mikroorganizmů se chopil začátkem sedmdesátých let americký biolog Carl Woese (1928 - 2012) (Obr. č. 13). Woese byl profesorem mikrobiologie na Illinoiské univerzitě, kde v šedesátých letech započala jeho práce na fylogenezi mikroorganizmů. Woese porovnával rRNA u všech mikroorganizmů, které mu přišli pod ruku, popřípadě které mu doporučili kolegové jako zajímavé organizmy. Woesova práce přinesla jeden převratný objev. To, že sekvence potvrdily fylogenetickou vzdálenost prokaryot a eukaryot, očekával každý. Někteří zástupci prokaryot však vykazovali naprostou odlišnost sekvencí nukleotidů ve sledované rRNA. Tato odlišnost byla dokonce tak velká, že se Woese rozhodl ustanovit novou, do té doby neznámou, skupinu živých organizmů, kterou pojmenoval archebakterie. Dnes této skupině říkáme Archea a klademe ji na roveň bakteriím a eukaryotům. Říkáme, že Woese postuloval tři domény života. Každý organizmus může být zařazen do jedné z těchto tří domén (Obr. č 14).

Na základní úrovni dnes rozeznáváme tři domény života. Jsou to bakterie, archea a eukaryota, přičemž každá tato doména má své vnitřní členění. Toto členění bude probíráno samostatně u každé skupiny. Tyto tři skupiny jsou skutečně nejzákladnější členění života na Zemi. Nenajdete žádný organizmus, který by nepatřil do jedné z domén. Mezi bakterie patří vlastní eubakterie a sinice. Do archeí spadají organizmy s odlišnou membránou, odlišnou DNA a odlišným metabolizmem. Tyto dvě skupiny (bakterie a archea) se pravděpodobně rozešly nesmírně dávno, dost možná nedlouho po vzniku života.

SYSTEMATIKA PROKARYOT

SYSTEMATIKA EUKARYOT

Page updated

Google Sites

Report abuse