Investice do rozvoje vzdělávání

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

I ti d j dělá á í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Investice do rozvoje vzdělávání

Biologická klasifikace živočichůg(BIKZ)

I ti d j dělá á í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Investice do rozvoje vzdělávání

1. Úvod do biologické gklasifikace živočichů

Radim Simerský

I ti d j dělá á í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Investice do rozvoje vzdělávání

C j t ži či h Kl ifik ži či hů F l tik F tikCo je to živočich; Klasifikace živočichů; Fylogenetika; Fenetika vs. kladistika; Fylogenetické znaky; Taxon; Morfologická vs. molekulární systematikamolekulární systematika

I ti d j dělá á í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Co je živočich?Co je živočich?

I ti d j dělá á í

Co je živočich?

T dič í d fi i

Co je živočich?

Tradiční definice:• Heterotrofní organismus• Buňky bez plastidů a buněčné stěnyy p y• Většinou schopen aktivního pohybu

Problém:• Definici odpovídá značně nesourodá skupina organismů• I fylogeneticky velmi blízké organismy „dohodou“ řazeny mezi

živočichy/rostliny. Př. krásnoočka (Euglenoidea)• Většina „jednobuněčných živočichů“ je skupině Animalia fylogeneticky velmi j ý j p y g y

vzdálená

I ti d j dělá á í

Co je živočich?Co je živočich?

Od t t í h i ů liší b ěč é i l k lá í ú i• Od ostatních organismů se liší na buněčné i molekulární úrovni• V současnosti jsou jako živočichové označovány mnohobuněčné

eukaryontní organismy skupiny Opisthokonta, říše Metazoa

Bikonta

Amoebozoa - měňavkovci Fungi - houby

Unikonta

Opisthokonta Choanoflagellata - trubénkyChoanoflagellata trubénky

I ti d j dělá á í

Metazoa - živočichové

Co je živočich?

O i th k t

Co je živočich?

• Opisthokonta:– Mají jen jeden tlačný bičík s typickou strukturou– Mitochondrie s plochými kristamip ý– Jsou schopny syntetizovat bílkovinu kolagen a používat glykogen jako

zásobní látku

I ti d j dělá á í

Co je živočich?

B ňk ži či hů (M t ) j áj ě j é ř dá jí i ži i

Co je živočich?

• Buňky živočichů (Metazoa) jsou vzájemně propojené, předávají si živiny a informace - tvoří specializované soubory buněk - tkáně, orgány– Jsou výjimečné množstvím typů diferenciovaných buněk, počtem

zúčastněných genů a jejich vzájemných interakcí– Vznik haploidních buněk – meióza, se u živočichů uplatňuje pouze při

vzniku gamet

I ti d j dělá á í

Eukaryota Archaeplastida (zelené rostliny, ruduchy)

Bik

Chromalveolata (rozsivky, oomycety, chaluhy, nálevníci, výtrusovci…)

Bikonta

Excavata (trypanozomy, krásnoočka)

Rhizaria (dírkonošci, mřížovci)

Amoebozoa - měňavkovci Fungi - houby

Unikonta

Opisthokonta Choanoflagellata - trubénky

Metazoa - živočichové

I ti d j dělá á í

Metazoa živočichové

Proč je studovat?

Ob ká i bilit

Proč je studovat?

• Obrovská variabilita– Rostliny cca. 300000 druhů X živočichové – miliony druhů

• Rozmanitost tělních plánů a způsobů života

• Původ člověka• Původ člověka

• Výběr vhodných modelových organismů

• „Užitek“

I ti d j dělá á í

Klasifikace živočichů

Děl í ( d ž á í) ži či hů d k i ákl dě l č ý h ků

Klasifikace živočichů

= Dělení (a sdružování) živočichů do skupin na základě společných znaků• Taxon – skupina organismů sdílejících charakteristické znaky• První systémy klasifikace byly umělé – na základě vnější podobnostiy y y y j p

• Aristoteles (384-322 př.n.l.)Snaha o utřídění okolního světa– Snaha o utřídění okolního světa

– představa nadřazeného rodu (lat. genus), jehožjednotlivé druhy (species) se navzájem liší

– Živočichové s krví X bez krve, živorodí X vejcorodí..– Základ binomické nomenklatury

I ti d j dělá á í

Klasifikace živočichů

C l Li é (1707 1778)

Klasifikace živočichů

• Carl Linné (1707-1778)– Systema Naturae (1.vyd. 1735)– Přírodu rozdělil na minerály (Regnumy ( g

lapideum), rostliny (Regnum vegetabile) aživočichy (Regnum animale)Zavedení binominální nomenklatury každý organismus je– Zavedení binominální nomenklatury – každý organismus jejednoznačně popsán dvouslovným latinským jménem, kterévyjadřuje jeho příbuznost s ostatními organismy

– Rod druhUrsus maritimus – medvěd ledníUrsus arctos – medvěd hnědýUrsus arctos medvěd hnědý

I ti d j dělá á í

Klasifikace živočichů

C l Li é

Klasifikace živočichů

• Carl Linné– Klasifikace organismů v pěti úrovních: říše, třída, řád, rod a

druh– Zařazení velryb a netopýrů mezi savce– Člověk poprvé zařazen do stejné skupiny spolu s primáty

(Antropomorpha)(Antropomorpha)

I ti d j dělá á í

Klasifikace živočichů

Li éh ti í b l řádá í i ů dl říb ký h

Klasifikace živočichů

– Linného motivací nebylo uspořádání organismů podle příbuzenských vztahů, ale jejich utřídění do systému přehledného pro člověka –nominalistické pojetí systematiky

– Podle Linného pouze rod a druh jsou přirozené skupiny (tzn. stvořeny bohem), ostatní (říše, třída, řád) jsou uměle vykonstruovány

– „Bůh stvořil, Linné roztřídil“

I ti d j dělá á í

Klasifikace živočichů

Při ý té l ž říb ký h t í h i i

Klasifikace živočichů

• Přirozený systém – založen na příbuzenských vztazích mezi organismy• Charles Darwin (1809-1882)

– On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the g p yPreservation of Favoured Races in the Struggle for Life (1859)The Descent of Man and Selection in Relation to Sex (1871)

– Evoluční teorie o vzniku a vývoji druhů na základě přirozeného výběruEvoluční teorie o vzniku a vývoji druhů na základě přirozeného výběru– „Common ancestor“ – teorie společného původu organismů -> strom

života

I ti d j dělá á í

Fylogenetika

N d i i d í l č í té

Fylogenetika

• Neodarwinismus – moderní evoluční syntéza– Spojení darwinismu s moderními poznatky genetiky, molekulární

biologie a cytologieF logene e• Fylogeneze– Historický vývoj druhů organismů ze společného univerzálního předka

během evoluceAnageneze přizpůsobování se organismů prostředí v němž žijí– Anageneze – přizpůsobování se organismů prostředí, v němž žijí

– Kladogeneze – štěpení evolučních linií, vznik nových druhů

I ti d j dělá á í

Fylogenetika

F l tik

Fylogenetika

• Fylogenetika (Gr. phyle/phylon (φυλή/φῦλον), "tribe, race," and genetikos (γενετικός), "relative to birth„– Biologický obor zkoumající vývojové vztahy mezi organismy– Na základě vývojových vztahů člení organismy do přirozených skupin –ý j ý g y p ý p

realistické pojetí systematiky– Konstrukce tzv. fylogenetických stromů

I ti d j dělá á í

Fenetika

F tik

Fenetika

• Fenetika (Gr. phainein, φαίνω, to display; to show)– Numerická taxonomie, 50. léta– Snaha klasifikovat organismy na základě tzv. všeobecné podobnosti– Hodnocení rozsáhlých souborů znaků -> shluková analýza -> rozčlenění

organismů v klasifikačním systému– Významný nástroj pro srovnávací biologii– Problém!!! – členění většinou na základě morfologických, či jiných

snadno pozorovatelných znaků bez ohledu na skutečné fylogenetické vztahy mezi organismyPř vačice rejsek delfín– Př. vačice – rejsek – delfín

I ti d j dělá á í

Kladistika

Kl di tik

Kladistika

• Kladistika (Gr. klados, κλάδος, "branch")– Fylogenetická taxonomie, 50. léta– Hierarchické uspořádání organismů do taxonů na základě společných p g p ý

vývojových znaků– Homologické znaky – byly zděděny od společného předka– Hledání evolučních novinek“Hledání „evolučních novinek– Kladogram – „rodokmen“ organismů konstruovaný na základě

fylogenetických vztahů

Unikonta

Amoebozoa - měňavkovci Fungi - houby

Opisthokonta Choanoflagellata - trubénky

I ti d j dělá á í

Metazoa - živočichové

Homologie X Analogie

Z k h l i ké h d é k ů ý h d hů dědě ý h

Homologie X Analogie

• Znaky homologické – shodné znaky různých druhů zděděných po společném předkovi

• Znaky analogické – podobné znaky vzniklé nezávislým vývojem, např. jako adaptace na stejné ekologické podmínky (homoplazie)

I ti d j dělá á í

Primitivní X Odvozené

Z k l i f í ů d í i iti í

Primitivní X Odvozené

• Znaky pleziomorfní - původní, primitivní– Př. u strunatců se během ontogeneze vždy projevuje dvoustranná

souměrnost – Bilateralia• Znaky apomorfní – odvozené

– Z fylogentického hlediska jsou zásadní sdílené apomorfní znaky –synapomorfiey p

– Prostřednictvím synapomorfií můžeme definovat taxony– Př. u strunatců vnitřní kostra, jejímž základem je struna hřbetní

I ti d j dělá á í

Taxon a Taxon“

T

Taxon a „Taxon

• Taxony– Monofyletické – obsahují společného předka a všechny jeho potomky– Polyfyletické – zahrnují skupiny vzniklé z různých předkůy y j p y ý p– Parafyletické – neobsahují všechny skupiny vzniklé ze společného

předka• Kladogram by měl být sestaven výhradně z monofyletických taxonů!!!Kladogram by měl být sestaven výhradně z monofyletických taxonů!!!

I ti d j dělá á í

Morfologická systematika

Z k f l i ké

Morfologická systematika

• Znaky morfologické– Základem při klasifikaci živočichů– Od anatomie po ultrastrukturu jednotlivých buněkp j ý– Př. umístění nervové soustavy, struna hřbetní, stavba mitochondrií,

struktura bičíku…

I ti d j dělá á í

Molekulární systematika

Z k l k lá í l k lá í t tik

Molekulární systematika

• Znaky molekulární – molekulární systematika– Obrovské množství znaků – nukleotidové sekvence genů a

mezigenových úseků DNA, sekvence aminokyselin v bílkovinách…• Ideální znak

– Gen dostatečně dlouhý – dostatek informací– Přítomen u všech zkoumaných organismůPřítomen u všech zkoumaných organismů– U všech plní ± stejnou funkci – vždy podléhá stejným evolučním tlakům– Vyvíjí se vhodnou rychlostí pro zkoumání dané evoluční události

Př j d é ib ál í RNA lé dj d k 18S RNA lké• Př. jaderné geny pro ribozomální RNA malé podjednotky 18S rRNA a velké podjednotky 28S rRNA

I ti d j dělá á í

Molekulární systematika

Čt í k l t í h ů žň j žití ý h f l ti ký h ků

Molekulární systematika

• Čtení kompletních genomů umožňuje využití nových fylogenetických znaků– Změny pořadí genů na chromozomech, duplikace, inverze a fúze genů– Př. Eukaryota rozdělena na bikonta a unikonta nejen na základě y j

morfologické odlišnosti, ale také na základě odlišné fúze některých genů

• Využití analýz mitochondriálního genomuy ý g– „Mitochondriální Eva“

I ti d j dělá á í

Molekulární systematika

H

Molekulární systematika

• Hox geny– Podílí se na regulaci ontogeneze – poziční orientace buněk –

předozadní uspořádání těla– Na chromozomu umístěny v pořadí, které odpovídá pořadí tělních zón,

které tyto geny ovlivňují – tzv. zootyp

I ti d j dělá á í

Molekulární systematika

H

Molekulární systematika

• Hox geny– Umožňují určit homologii tělních oblastí i u fylogeneticky vzdálených

živočichů– Během fylogeneze došlo k významnému komplikování stavby

chromozomového komplexu – „zjemňování pozičních adres“– Duplikace při vzniku obratlovců, další u čelistnatcůp p ,

I ti d j dělá á í

Molekulární systematika

M l k lá í h di

Molekulární systematika

• Molekulární hodiny– Pokud molekulární evoluce genu probíhá známou a ± konstantní

rychlostí, můžeme datovat jednotlivé evoluční události– Problém – značné rozdíly v tempu hromadění evolučních změn– Nutno sledovat několik různých genů– Nutná vzájemná kalibraceNutná vzájemná kalibrace

molekulárních a paleontologickýchúdajů - př. divergence kytovců

b šší h i á ůnebo vyšších primátů

I ti d j dělá á í

Biologická klasifikace živočichů

A lý k bi ý h l k lá í h f l i ký h d t

Biologická klasifikace živočichů

• Analýza kombinovaných molekulárních a morfologických dat• Vývoj tělních plánů, ekologických i sociálních vztahů a chování• Dlouhá cesta od houbovce k člověku• Starobylost a stabilita života

I ti d j dělá á í

Eukaryota Archaeplastida (zelené rostliny, ruduchy)

Bik

Chromalveolata (rozsivky, oomycety, chaluhy, nálevníci, výtrusovci…)

Bikonta

Excavata (trypanozomy, krásnoočka)

Rhizaria (dírkonošci, mřížovci)

Amoebozoa - měňavkovci Fungi - houby

Unikonta

Opisthokonta Choanoflagellata - trubénky

Metazoa - živočichové

I ti d j dělá á í

Metazoa živočichové