Genetyczne (cytogenetyczne) kryterium gatunku, obok innych, służy do rozróżniania elementarnych grup systematycznych, do analizy stanu gatunku. W tym artykule rozważymy cechy charakterystyczne kryterium, a także trudności, jakie może napotkać badacz podczas jego stosowania.
Co to jest widok
W różnych gałęziach nauk biologicznych gatunek jest definiowany na swój własny sposób. Z perspektywy ewolucyjnej możemy powiedzieć, że gatunek jest zbiorem osobników, które wykazują podobieństwa w strukturze zewnętrznej i wewnętrznej organizacji, procesach fizjologicznych i biochemicznych, zdolnych do nieograniczonego krzyżowania się, pozostawiających płodne potomstwo i genetycznie odizolowanych od podobnych grup.
Gatunek może być reprezentowany przez jedną lub kilka populacji i odpowiednio mieć cały lub wydzielony zasięg (obszar siedliskowy/obszar wodny)
Nazewnictwo gatunków
Każdy gatunek ma swoją własną nazwę. Zgodnie z zasadami nazewnictwa binarnego składa się z dwóch słów: rzeczownika i przymiotnika. Rzeczownik to nazwa rodzajowa, a przymiotnik to nazwa szczegółowa. Na przykład w nazwie „mniszek lekarski” gatunek „officinalis” jest jednym z przedstawicieli roślin z rodzaju „mniszek lekarski”.
Osoby spokrewnionych gatunków w obrębie rodzaju mają pewne różnice w wyglądzie, fizjologii i preferencjach ekologicznych. Ale jeśli są zbyt podobni, to ich przynależność gatunkową określa kryterium genetyczne gatunku oparte na analizie kariotypów.
Dlaczego gatunek potrzebuje kryteriów
Carl Linneusz, który jako pierwszy nadał współczesne nazwy i opisał wiele typów żywych organizmów, uważał je za niezmienne i niezmienne. Oznacza to, że wszystkie osobniki odpowiadają jednemu obrazowi gatunku, a wszelkie odstępstwa od niego są błędem we wcielaniu idei gatunku.
Od pierwszej połowy XIX wieku Karol Darwin i jego zwolennicy uzasadniają zupełnie inną koncepcję gatunku. Zgodnie z nią gatunek jest zmienny, niejednorodny i obejmuje formy przejściowe. Stałość gatunku jest względna, zależy od zmienności warunków środowiskowych. Podstawową jednostką istnienia gatunku jest populacja. Jest odrębna reprodukcyjnie i spełnia kryteria genetyczne gatunku.
Biorąc pod uwagę niejednorodność osobników tego samego gatunku, naukowcom może być trudno określić gatunek organizmów lub rozdzielić je między grupami systematycznymi.
Kryteria morfologiczne i genetyczne gatunku, biochemiczne, fizjologiczne, geograficzne, ekologiczne, behawioralne (etologiczne) – to wszystkokompleksy różnic międzygatunkowych. Określają izolację grup systematycznych, ich dyskrecję rozrodczą. Można ich używać do odróżnienia jednego gatunku od drugiego, ustalenia stopnia ich pokrewieństwa i pozycji w systemie biologicznym.
Charakterystyka kryterium genetycznego gatunku
Istotą tej cechy jest to, że wszystkie osobniki tego samego gatunku mają ten sam kariotyp.
Kariotyp jest rodzajem chromosomowego „paszportu” organizmu, określa się go liczbą chromosomów obecnych w dojrzałych komórkach somatycznych organizmu, ich wielkością i cechami strukturalnymi:
- stosunek długości ramienia chromosomu;
- położenie w nich centromerów;
- obecność wtórnych zwężeń i satelitów.
Osoby należące do różnych gatunków nie będą mogły się krzyżować. Nawet jeśli możliwe jest uzyskanie potomstwa, jak w przypadku osła i konia, tygrysa i lwa, hybrydy międzygatunkowe nie będą płodne. Dzieje się tak, ponieważ połówki genotypu nie są takie same i nie może wystąpić koniugacja między chromosomami, więc gamety nie są tworzone.
Na zdjęciu: muł - sterylna hybryda osła i klaczy.
Przedmiot badań - kariotyp
Ludzki kariotyp jest reprezentowany przez 46 chromosomów. U większości badanych gatunków liczba pojedynczych cząsteczek DNA w jądrze, które tworzą chromosomy, mieści się w zakresie od 12 do 50. Są jednak wyjątki. Muszka owocowa Drosophila ma 8 chromosomów w jądrach komórkowych, a u małego przedstawiciela rodziny Lepidoptera Lysandra zestaw chromosomów diploidalnych jest380.
Mikrografia elektronowa skondensowanych chromosomów, która pozwala ocenić ich kształt i wielkość, odzwierciedla kariotyp. Analiza kariotypu w ramach badania kryterium genetycznego, a także porównanie kariotypów ze sobą pomaga w określeniu gatunku organizmów.
Gdy dwa gatunki to jeden
Wspólną cechą kryteriów widoku jest to, że nie są one bezwzględne. Oznacza to, że użycie tylko jednego z nich może nie wystarczyć do dokładnego określenia. Organizmy, które są na zewnątrz nie do odróżnienia od siebie, mogą być przedstawicielami różnych gatunków. Tutaj kryterium morfologiczne przychodzi z pomocą kryterium genetycznemu. Podwójne przykłady:
- Dzisiaj znane są dwa gatunki czarnych szczurów, które wcześniej zidentyfikowano jako jeden ze względu na ich zewnętrzną tożsamość.
- Istnieje co najmniej 15 gatunków komarów malarycznych, które można odróżnić jedynie za pomocą analizy cytogenetycznej.
- 17 gatunków świerszczy występujących w Ameryce Północnej, które są genetycznie różne, ale fenotypowo spokrewnione z tym samym gatunkiem.
- Uważa się, że wśród wszystkich gatunków ptaków jest 5% bliźniąt, do identyfikacji których konieczne jest zastosowanie kryterium genetycznego.
- Zamieszanie w systematyce bydła górskiego zostało wyeliminowane dzięki analizie kariologicznej. Zidentyfikowano trzy odmiany kariotypów (2n=54 dla muflonów, 56 dla argali i argali oraz 58 chromosomów dla urialów).
Jeden gatunek czarnego szczura ma 42 chromosomy, kariotyp drugiego reprezentuje 38 cząsteczek DNA.
Kiedy jeden widok jest jak dwa
Dla grup gatunkowych o dużej powierzchni zasięgu i liczby osobników, gdy w ich obrębie działa izolacja geograficzna lub osobniki mają szeroką walencję ekologiczną, charakterystyczna jest obecność osobników o różnych kariotypach. Takie zjawisko jest kolejnym wariantem wyjątków w kryterium genetycznym gatunku.
Przykłady polimorfizmu chromosomów i genomów są powszechne u ryb:
- u pstrąga tęczowego liczba chromosomów waha się od 58 do 64;
- dwa kariomorfy, z 52 i 54 chromosomami, znalezione w śledziu z Morza Białego;
- z diploidalnym zestawem 50 chromosomów przedstawiciele różnych populacji tołpyga mają 100 (tetraploidy), 150 (heksaploidy), 200 (oktaploidy) chromosomów.
Formy poliploidalne występują zarówno w roślinach (kozie wierzby), jak i owadach (ryjkowce). Myszy domowe i myszoskoczki mogą mieć różną liczbę chromosomów, a nie wielokrotność zestawu diploidalnego.
Bliźniaki kariotypowe
Przedstawiciele różnych klas i typów mogą mieć kariotypy z tą samą liczbą chromosomów. Takich zbiegów okoliczności jest znacznie więcej wśród przedstawicieli tych samych rodzin i rodzajów:
- Goryle, orangutany i szympansy mają 48-chromosomowy kariotyp. Z wyglądu różnice nie są określone, tutaj trzeba porównać kolejność nukleotydów.
- Niewielkie różnice w kariotypach żubra północnoamerykańskiego i żubra europejskiego. Oba mają 60 chromosomów w zestawie diploidalnym. Zostaną przypisane do tego samego gatunku, jeśli zostaną przeanalizowane wyłącznie na podstawie kryteriów genetycznych.
- Przykłady genetycznych bliźniaków można również znaleźć wśród roślin, zwłaszcza w rodzinach. Wśród wierzbmożliwe jest nawet uzyskanie mieszańców międzygatunkowych.
Aby ujawnić subtelne różnice w materiale genetycznym takich gatunków, konieczne jest określenie sekwencji genów i kolejności ich występowania.
Wpływ mutacji na analizę kryterium
Liczba chromosomów kariotypu może ulec zmianie w wyniku mutacji genomowych - aneuploidii lub euploidii.
Kiedy aneuploidia występuje w kariotypie, pojawia się jeden lub więcej dodatkowych chromosomów, a liczba chromosomów może być również mniejsza niż u pełnoprawnego osobnika. Powodem tego naruszenia jest brak rozłączenia chromosomów na etapie tworzenia gamet.
Zdjęcie przedstawia przykład ludzkiej aneuploidii (zespół Downa).
Zygoty ze zmniejszoną liczbą chromosomów z reguły nie zaczynają się kruszyć. A organizmy polisomiczne (z „dodatkowymi” chromosomami) mogą być żywotne. W przypadku trisomii (2n+1) lub pentasomii (2n+3) nieparzysta liczba chromosomów będzie wskazywać na anomalię. Tetrasomia (2n+2) może prowadzić do faktycznego błędu w określaniu gatunku na podstawie kryteriów genetycznych.
| Mutacja | Esencja mutacji | Wpływ na kryterium genetyczne gatunku |
| Tetrasomia | Dodatkowa para chromosomów lub dwa niehomologiczne dodatkowe chromosomy są obecne w kariotypie. | Podczas analizy wyłącznie według tego kryterium, organizm może zostać sklasyfikowany jako posiadający jeszcze jedną parę chromosomów. |
| Tetraploidalność | W kariotypiisą cztery chromosomy z każdej pary zamiast dwóch. | Organizm można przypisać do innego gatunku zamiast do odmiany poliploidalnej tego samego gatunku (w roślinach). |
Mnożenie kariotypu – poliploidia – może również wprowadzać badacza w błąd, gdy zmutowany kariotyp jest sumą kilku diploidalnych zestawów chromosomów.
Złożoność kryterium: Nieuchwytny DNA
Średnica nici DNA w stanie nieskręconym wynosi 2 nm. Kryterium genetyczne określa kariotyp w okresie poprzedzającym podział komórki, kiedy cienkie cząsteczki DNA wielokrotnie spiralizują się (kondensują) i reprezentują gęste struktury pręcikowe - chromosomy. Średnia grubość chromosomu to 700 nm.
Laboratoria szkolne i uniwersyteckie są zwykle wyposażone w mikroskopy o małym powiększeniu (od 8 do 100), nie można w nich zobaczyć szczegółów kariotypu. Rozdzielczość mikroskopu świetlnego dodatkowo pozwala przy każdym, nawet największym powiększeniu, widzieć obiekty nie mniejsze niż połowa długości najkrótszej fali świetlnej. Najmniejsza długość fali dotyczy fal fioletowych (400 nm). Oznacza to, że najmniejszy obiekt widoczny w mikroskopie świetlnym będzie miał długość od 200 nm.
Okazuje się, że zabarwiona zdekondensowana chromatyna będzie wyglądać jak mętne obszary, a chromosomy będą widoczne bez szczegółów. Mikroskop elektronowy o rozdzielczości 0,5 nm pozwala wyraźnie zobaczyć i porównać różne kariotypy. Biorąc pod uwagę grubość nitkowatego DNA (2 nm), będzie on wyraźnie widoczny pod takim urządzeniem.
Kryterium cytogenetyczne w szkole
Z powodów opisanych powyżej stosowanie mikropreparatów w pracach laboratoryjnych według kryterium genetycznego gatunku jest niewłaściwe. W zadaniach możesz wykorzystać zdjęcia chromosomów uzyskane pod mikroskopem elektronowym. Dla wygody pracy na zdjęciu poszczególne chromosomy są łączone w pary homologiczne i ułożone w kolejności. Taki schemat nazywa się kariogramem.
Przykładowe zadanie laboratoryjne
Zadanie. Rozważ podane zdjęcia kariotypów, porównaj je i wyciągnij wnioski dotyczące przynależności osobników do jednego lub dwóch gatunków.
Zdjęcia kariotypów do porównania laboratoryjnego.
Praca nad zadaniem. Policz całkowitą liczbę chromosomów na każdym zdjęciu kariotypu. Jeśli pasują, porównaj je pod względem wyglądu. Jeśli nie zostanie przedstawiony kariogram, znajdź najkrótszy i najdłuższy spośród chromosomów średniej długości na obu obrazach, porównaj je według wielkości i lokalizacji centromerów. Wyciągnij wniosek na temat różnicy / podobieństwa kariotypów.
Odpowiedzi do zadania:
- Jeżeli liczba, rozmiar i kształt chromosomów są zgodne, to dwie osoby, których materiał genetyczny jest przedstawiony do badań, należą do tego samego gatunku.
- Jeżeli liczba chromosomów jest dwa razy różna, a na obu fotografiach znajdują się chromosomy o tej samej wielkości i kształcie, to najprawdopodobniej osobniki są przedstawicielami tego samego gatunku. Będą to kariotypy diploidalne i tetraploidalne.formularz.
- Jeśli liczba chromosomów nie jest taka sama (różni się o jeden lub dwa), ale ogólnie kształt i rozmiar chromosomów obu kariotypów jest taki sam, mówimy o normalnych i zmutowanych formach ten sam gatunek (zjawisko aneuploidii).
- Przy różnej liczbie chromosomów, a także niedopasowaniu cech wielkości i kształtu, kryterium przypisze prezentowane osobniki dwóm różnym gatunkom.
W danych wyjściowych należy wskazać, czy możliwe jest określenie gatunku osobników na podstawie kryterium genetycznego (i tylko to).
Odpowiedź: jest to niemożliwe, ponieważ każde kryterium gatunkowe, w tym genetyczne, ma wyjątki i może dać błędny wynik określenia. Dokładność można zagwarantować tylko poprzez zastosowanie zestawu kryteriów formularza.
