1.2 Kerfisbundin nálgun

Kerfisbundin nálgun

Námstakmarkanir

Í lok þessa kafla muntu geta:

Lýst því hvernig örverur eru flokkaðar og aðgreindar sem einstakar tegundir
Borið saman söguleg og núverandi flokkunarkerfi sem notuð eru til að flokka örverur

Þegar örverur urðu sýnilegar mönnum með hjálp smásjáa fóru vísindamenn að gera sér grein fyrir gríðarlegum fjölbreytileika þeirra. Örverur eru mismunandi á allan hátt, þar á meðal hvað varðar stærð, útlit og æxlunarhraða. Til að rannsaka þetta ótrúlega fjölbreytta úrval nýrra lífvera þurftu vísindamenn aðferð til að flokka þær kerfisbundið.

Vísindi flokkunarfræðinnar

Þróunartré lífsins (þróunarsaga)

Með framförum í tækni gerðu aðrir vísindamenn smám saman endurbætur á kerfi Linnaeus og bjuggu að lokum til ný kerfi til að flokka lífverur. Á 19. öld var vaxandi áhugi á að þróa flokkunarkerfi sem tók mið af þróunartengslum, eða þróunarsögu (e. phylogenies), allra mismunandi tegunda lífvera á jörðinni. Ein leið til að sýna þessi tengsl er með skýringarmynd sem kallast þróunartré (eða lífsins tré). Í þessum skýringarmyndum er lífverum raðað eftir því hversu nátengdar þær eru taldar vera. Í fyrstu þróunartrjánum var skyldleiki lífvera ályktaður út frá sýnilegum líkindum, svo sem tilvist eða fjarveru hárs eða fjölda útlima. Nú er greiningin flóknari. Í dag fela þróunargreiningar í sér samanburð á erfðafræðilegum, lífefnafræðilegum og fósturfræðilegum þáttum, eins og fjallað verður um síðar í þessum kafla.

Lífsins tré Linnaeus innihélt aðeins tvær megingreinar fyrir allt líf: dýraríkið og plönturíkið. Árið 1866 lagði Ernst Haeckel, þýskur líffræðingur, heimspekingur og læknir, til annað ríki, Protista (frumverur), fyrir einfruma lífverur (Mynd 1.8). Síðar lagði hann til fjórða ríkið, Monera (dreifkjörnungar), fyrir einfruma lífverur sem hafa ekki frumukjarna, eins og bakteríur.

A drawing of a tree. The base of the tree reads: Radix Monera. This branches into three branches labeled Plantae, Protista, and Animalia. Each of these branches branch further; each new branch Is labeled in small text and clusters of branches are identified. For example, clusters of branches in the protista include: Diatomase, flagellate, protoplasta, and spongae. — Mynd 1.8 Mynd Ernst Haeckel af lífsins tré, úr bók hans *General Morphology of Organisms* frá 1866, innihélt þrjú ríki: Plantae (plöntur), Protista (frumverur) og Animalia (dýr). Hann bætti síðar við fjórða ríkinu, Monera (dreifkjörnungar), fyrir einfruma lífverur án kjarna.

Næstum 100 árum síðar, árið 1969, lagði bandaríski vistfræðingurinn Robert Whittaker (1920–1980) til að bæta við öðru ríki – Fungi (sveppir) – í sitt lífsins tré. Tré Whittakers innihélt einnig flokkunarstig fyrir ofan ríki – yfirríki – til að greina á milli lífvera sem hafa himnubundna kjarna í frumum sínum (heilkjörnungar (e. eukaryote)) og þeirra sem hafa það ekki (dreifkjörnungar (e. prokaryote)). Yfirríkið Prokaryota innihélt aðeins ríkið Monera. Yfirríkið Eukaryota innihélt hin fjögur ríkin: Fungi, Protista, Plantae og Animalia. Fimm ríkja tré Whittakers var talið staðlað þróunartré í mörg ár.

Mynd 1.9 sýnir hvernig lífsins tré hefur breyst með tímanum. Athugið að veirur finnast ekki í neinu þessara trjáa. Það er vegna þess að þær eru ekki gerðar úr frumum og því er erfitt að ákvarða hvar þær myndu passa inn í lífsins tré.

This timeline begins with Carolus Linnaeus who developed a new way to categorize plants and animals in 1758. The image above Linnaeus shows a forked line with one branch labeled plants and the other labeled animals. In 1866, Ernst Haeckel wrote General Morphology of Organisms, proposing four kingdoms. The image above Haeckel shows a central line with Monera branching off the bottom, protists branching off next, then plants and finally animals. In 1969 Robert Whittaker proposed adding a fifth kingdom – fungi – to the tree of life. The image above Whittaker is the same as the one above Haeckel but includes an additional branch labeled fungi between plants and animals. — Mynd 1.9 Þessi tímalína sýnir hvernig lögun lífsins tré hefur breyst í gegnum aldirnar. Enn þann dag í dag er flokkunarfræði lífvera stöðugt endurmetin og betrumbætt með framförum í tækni.

Klínísk sjónarmið

2. hluti

Sýklalyf eru sérstaklega hönnuð til að drepa eða hindra vöxt baktería. En eftir nokkra daga á sýklalyfjum sýnir Cora engin merki um bata. Einnig komu niðurstöður úr heila- og mænuvökvaræktunum hennar neikvæðar frá rannsóknarstofunni. Þar sem engar bakteríur eða sveppir voru einangraðir úr heila- og mænuvökvasýni Coru útilokar læknirinn hennar bakteríu- og sveppaheilahimnubólgu. Veiruheilahimnubólga er enn möguleiki.

Hins vegar tilkynnir Cora nú um nokkur ný og áhyggjuefni. Hún er farin að eiga erfitt með gang. Vöðvastífleikinn hefur breiðst út frá hálsinum til annarra hluta líkamans og útlimir hennar kippast stundum ósjálfrátt til. Að auki versna vitræn einkenni Coru. Á þessum tímapunkti verður læknir Coru mjög áhyggjufullur og pantar fleiri prófanir á heila- og mænuvökvasýnunum.

Hvers konar örverur gætu valdið einkennum Coru?

[[i:Hoppaðu í next næsta klíníska áherslubox. Farðu aftur í previous fyrri klíníska áherslubox.]]

Hlutverk erfðafræðinnar í nútíma flokkunarfræði

Tré Haeckels og Whittakers settu fram tilgátur um þróunarsögu mismunandi lífvera byggðar á auðsjáanlegum einkennum. En tilkoma sameindaerfðafræðinnar seint á 20. öld leiddi í ljós aðrar leiðir til að skipuleggja þróunartré. Erfðafræðilegar aðferðir gera kleift að bera saman allar lífverur á staðlaðan hátt án þess að reiða sig á sýnileg einkenni sem geta oft verið huglæg. Nútíma flokkunarfræði byggir að miklu leyti á samanburði á kjarnsýrum (deoxýríbósakjarnsýru [DNA] eða ríbósakjarnsýru [RNA]) eða próteinum frá mismunandi lífverum. Því líkari sem kjarnsýrurnar og próteinin eru milli tveggja lífvera, því nátengdari eru þær taldar vera.

Á áttunda áratugnum uppgötvaði bandaríski örverufræðingurinn Carl Woese það sem virtist vera „lifandi skrá (e. fox)“ yfir þróun lífvera. Hann og samstarfsmaður hans George Fox (e. bacteria) bjuggu til erfðafræðilegt lífsins tré (e. archaea) byggt á líkindum og mismun sem þeir sáu í genaröðum sem kóða fyrir litla undireiningu ríbósóm-RNA (rRNA) mismunandi lífvera. Í því ferli uppgötvuðu þeir að ákveðin tegund baktería, sem kallast fornbakteríur (nú þekktar einfaldlega sem fornbakteríur), voru verulega frábrugðnar öðrum bakteríum og heilkjörnungum hvað varðar genaraðir þeirra fyrir litla undireiningu rRNA. Til að koma til móts við þennan mun bjuggu þeir til tré með þremur lénum fyrir ofan ríki: Fornbakteríur, bakteríur og heilkjörnungar (Mynd 1.10). Greining á genaröðum lítilla undireininga rRNA bendir til þess að fornbakteríur, bakteríur og heilkjörnungar hafi öll þróast frá sameiginlegri forfrumu. Tréð er skekkt til að sýna nánara þróunarsamband milli fornbaktería og heilkjörnunga en þau hafa við bakteríur.

The phylogenetic Tree of Life. A drawing of branching lines. The central line at the bottom branches into two main branches. On the left branch is the bacterial group. The branch to the right subdivides to the Archaea and Eukarya groups. Additional branches on the Eukarya group from bottom to top are: Diplomonads, Microsporidia, Trichomonads, Flagellates, Entamoebae, Smile molds, Ciliates, Plants, Fungi and Animals (which has a star labeled “you are here). Brances along the Archaea group from bottom to top are: Pyrodicticu, Thermoproteus, T. celer, Methanococcus, Methanobacterium, Methanosarcina, and Halophiles. Branches in the Bacterial group from bottom to top are: Aquifex, Thermotoga, Green filamentous bacteria, Bacteroides Cytophaga, Gram positives, Planctomyces, Cyanobacteria, Proteobacteria, and Spirocheres. — Mynd 1.10 Þróunartré Woese og Fox inniheldur þrjú lén: Bakteríur, fornbakteríur og heilkjörnunga. Lénin fornbakteríur og bakteríur innihalda allar dreifkjörnungalífverur og heilkjörnungar innihalda allar heilkjörnungalífverur. (heimild: breyting á verki eftir Eric Gaba)

Vísindamenn halda áfram að nota greiningu á RNA, DNA og próteinum til að ákvarða hvernig lífverur eru skyldar. Ein áhugaverð og flókin uppgötvun er láréttur genaflutningur – þegar gen einnar tegundar er tekið upp í erfðamengi annarrar lífveru. Láréttur genaflutningur er sérstaklega algengur í örverum og getur gert það erfitt að ákvarða hvernig lífverur eru þróunarlega skyldar. Þar af leiðandi hugsa sumir vísindamenn nú í skilmálum „lífsins vefja“ frekar en „lífsins trjáa“.

Nafngiftir örvera

Við þróun flokkunarfræði sinnar notaði Linnaeus kerfi tvínefnis (e. binomial nomenclature), tveggja orða nafnakerfi til að auðkenna lífverur eftir ættkvísl og tegundarheiti. Til dæmis eru nútímamenn í ættkvíslinni Homo og hafa tegundarheitið sapiens, þannig að vísindalegt nafn þeirra í tvínefni er Homo sapiens. Í tvínefni er ættkvíslarhluti nafnsins alltaf skrifaður með stórum staf; á eftir því kemur tegundarheitið, sem er ekki skrifað með stórum staf. Bæði nöfnin eru skáletruð. Þegar vísað er til manntegundarinnar væri tvínefnið Homo sapiens.

Flokkunarfræðileg nöfn frá 18. til 20. aldar voru yfirleitt dregin af latínu, þar sem það var algengt tungumál sem vísindamenn notuðu þegar flokkunarkerfi voru fyrst búin til. Í dag er hægt að gefa nýuppgötvuðum lífverum nöfn sem eru dregin af latínu, grísku eða ensku. Stundum endurspegla þessi nöfn einhvern sérstakan eiginleika lífverunnar; í öðrum tilvikum eru örverur nefndar eftir vísindamönnunum sem uppgötvuðu þær. Fornbakterían Haloquadratum walsbyi er dæmi um báðar þessar nafngiftir. Ættkvíslin, Haloquadratum, lýsir saltvatnsbúsvæði örverunnar (halo er dregið af gríska orðinu fyrir „salt“) auk fyrirkomulags ferkantaðra frumna hennar, sem eru raðaðar í ferkantaða klasa af fjórum frumum (quadratum er latína fyrir „fjórfalt“). Tegundin, walsbyi, er nefnd eftir Anthony Edward Walsby, örverufræðingnum sem uppgötvaði Haloquadratum walsbyi árið 1980. Þótt það gæti virst auðveldara að gefa lífveru algengt lýsandi nafn – eins og rauðhöfða spæta – getum við ímyndað okkur hvernig það gæti orðið vandamál. Hvað gerist þegar önnur tegund spætu með rauðan höfuðlit er uppgötvuð? Kerfisbundin nafngift sem vísindamenn nota útilokar þetta hugsanlega vandamál með því að úthluta hverri lífveru einu, einstöku tveggja orða nafni sem er viðurkennt af vísindamönnum um allan heim.

Í þessum texta munum við yfirleitt stytta ættkvísl og tegund lífveru eftir að hún er fyrst nefnd. Styttingin er einfaldlega fyrsti stafur ættkvíslarinnar, á eftir punkti og fullu nafni tegundarinnar. Til dæmis er bakterían Escherichia coli stytt í E. coli í styttri mynd. Þú munt rekast á sömu venju í öðrum vísindatextum.

Handbækur Bergey

Hvort sem er í tré eða vef getur verið erfitt að auðkenna og flokka örverur. Án auðsjáanlegra stórsærra eiginleika eins og fjaðra, fóta eða felds verða vísindamenn að fanga, rækta og finna leiðir til að rannsaka lífefnafræðilega eiginleika þeirra til að aðgreina og flokka örverur. Þrátt fyrir þessar hindranir bjó hópur örverufræðinga til og uppfærði safn handbóka til að auðkenna og flokka örverur. Fyrst gefin út árið 1923 og síðan uppfærð mörgum sinnum, eru Bergey’s Manual (e. bergey’s manual) of Determinative Bacteriology og Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology staðlaðar heimildir til að auðkenna og flokka mismunandi dreifkjörnunga. (Appendix D þessarar kennslubókar er að hluta til byggður á handbókum Bergey; hann sýnir hvernig lífverurnar sem koma fram í þessari kennslubók eru flokkaðar.) Vegna þess að svo margar bakteríur líta eins út verður að nota aðferðir sem byggjast á ósýnilegum eiginleikum til að auðkenna þær. Til dæmis er hægt að nota lífefnafræðilegar prófanir til að auðkenna efni sem eru einstök fyrir ákveðnar tegundir. Sömuleiðis er hægt að nota sermisfræðilegar prófanir til að auðkenna sérstök mótefni sem munu bregðast við próteinum sem finnast í ákveðnum tegundum. Að lokum er hægt að nota DNA- og rRNA-raðgreiningu bæði til að auðkenna tiltekna bakteríutegund og til að flokka nýuppgötvaðar tegundir.

Tengsl við örverufræði

Sama nafn, annar stofn

Innan einnar tegundar örvera geta verið nokkrar undirtegundir sem kallast stofnar. Þótt mismunandi stofnar geti verið nánast eins erfðafræðilega, geta þeir haft mjög mismunandi eiginleika. Bakterían Escherichia coli er alræmd fyrir að valda matareitrun og niðurgangi ferðamanna. Hins vegar eru í raun margir mismunandi stofnar af E. coli og þeir eru misjafnlega færir um að valda sjúkdómum.

Einn sjúkdómsvaldandi E. coli stofn sem þú gætir hafa heyrt um er E. coli O157:H7. Hjá mönnum getur sýking af völdum E. coli O157:H7 valdið kviðverkjum og niðurgangi. Sýkingin á venjulega uppruna sinn í menguðu vatni eða mat, sérstaklega hráu grænmeti og vanelduðu kjöti. Á tíunda áratugnum komu upp nokkrir stórir faraldrar af E. coli O157:H7 sem taldir voru eiga uppruna sinn í vanelduðum hamborgurum.

Þótt E. coli O157:H7 og nokkrir aðrir stofnar hafi gefið E. coli slæmt orðspor, valda flestir E. coli stofnar ekki sjúkdómum. Reyndar geta sumir þeirra verið gagnlegir. Mismunandi stofnar af E. coli sem finnast náttúrulega í þörmum okkar hjálpa okkur að melta matinn, sjá okkur fyrir nauðsynlegum efnum og berjast gegn sjúkdómsvaldandi örverum.

Flokkunarfræði (e. taxonomy) er flokkun, lýsing, greining og nafngift lifandi lífvera. Flokkun er sú aðferð að raða lífverum í mismunandi hópa byggt á sameiginlegum einkennum þeirra. Frægasti flokkunarfræðingur fyrri tíma var sænskur grasafræðingur, dýrafræðingur og læknir að nafni Carolus Linnaeus (1701–1778). Árið 1735 gaf Linnaeus út Systema Naturae, 11 blaðsíðna bækling þar sem hann lagði til flokkunarkerfi Linnaeusar (e. linnaean taxonomy), kerfi til að flokka og nefna lífverur með stöðluðu sniði svo vísindamenn gætu rætt um lífverur með samræmdri hugtakanotkun. Hann hélt áfram að endurskoða og bæta við bókina, sem óx og varð að mörgum bindum (Mynd 1.11).

A painting of Carolus Linnaeus holding a flower. — Mynd 1.11 Sænski grasafræðingurinn, dýrafræðingurinn og læknirinn Carolus Linnaeus þróaði nýtt kerfi til að flokka plöntur og dýr. Á þessari portrettmynd frá 1853 eftir Hendrik Hollander heldur Linnaeus á tvíblómi, nefnt *Linnaea borealis* honum til heiðurs.

Í flokkunarfræði sinni skipti Linnaeus náttúrunni í þrjú ríki: dýraríki, plönturíki og steinaríki (steinaríkið var síðar fellt niður). Innan dýra- og plönturíkisins flokkaði hann lífverur með stigveldi sífellt sértækari þrepa og undirþrepa byggt á líkindum þeirra. Nöfn þrepanna í upprunalegri flokkunarfræði Linnaeusar voru ríki, fylking, ættbálkur, ætt, ættkvísl (ft. ættkvíslir) og tegund. Tegund var, og er enn, sértækasta og grunneining flokkunarfræðinnar.