Koń jaki jest, każdy widzi, ale nowoczesna systematyka jest potrzebna

Transkrypt

1 Systematyka 1 Dr hab. Paweł Koperski Koń jaki jest, każdy widzi, ale nowoczesna systematyka jest potrzebna Dla wielu biologów systematyka pozostaje dziedziną o małym znaczeniu, przeszłą, zakurzoną, a nawet zwykłą techniką na usługach wielkich tematów nauki, (...) taka postawa oznacza nieznajomość rzeczy i może wręcz utrudniać badanie tych wielkich tematów. Złożona metodologicznie, współczesna systematyka jest odległa od dziedziny prostych technik, jest nauką dynamiczną (...), znajduje się w samym centrum problemów związanych z ewolucją istot żywych 1. Rozważając dowolny problem dotyczący klasyfikacji organizmów, należy pamiętać, że w świecie przyrody istnieją przede wszystkim pojedyncze organizmy osobniki różniące się między sobą. Jak argumentował Richard Dawkins 2, osobniki są co prawda złożonymi i dynamicznymi systemami, ale w rzeczywistości są to opakowania i wytwory przypadkowo zmieniających się w czasie zespołów genów. To właśnie one stanowią właściwe podmioty ewolucji. Odpowiadają za różnice w wyglądzie, fizjologii i procesach biochemicznych pomiędzy organizmami. Śmierć osobnika nie oznacza końca genów, istnieją one nadal i powielają się w ciałach innych osobników. Uporządkowany opis zróżnicowania spotykanych w przyrodzie organizmów od dawna był podstawą klasyfikacji tworzonych przez ludzi w celach praktycznych. Stanowił też przejaw racjonalnego opisu świata. Klasyczna systematyka dzieli wszystkie spotykane organizmy na Ziemi na grupy łączone w układy hierarchiczne. Istniejące składniki biosfery klasyfikuje się więc na podstawie rozmaitych kryteriów na mniej i bardziej zbliżone do siebie. Kryteria te traktuje się we współczesnej nauce jako hipotezy, które podlegają weryfikacji naukowców. Nie ma więc uzasadnienia argument, że systematyka jest subiektywnym grupowaniem obiektywnie istniejących tworów przyrody. Gatunek i takson Podstawą systematyki biologicznej są dwa pojęcia: gatunek i takson. Pojęcie gatunku 3, podstawowej jednostki taksonomicznej, było bodaj najczęściej definiowane ze wszystkich pojęć biologicznych. Nie jest ono jednoznaczne. Klasyczne, tzw. nominalistyczne pojęcie gatunku jako grupy osobników na tyle do siebie podobnych, że mają one jednoznaczną reprezentację w ludzkim umyśle (Koń jaki jest, każdy widzi 4 ), leżało u podstaw najstarszych prób klasyfikowania organizmów. Opracowana przez Linneusza, funkcjonująca do dziś klasyfikacja organizmów jest oparta na takim właśnie, kreacjonistycznym rozumieniu gatunku. Rozwój nauk biologicznych, a zwłaszcza ewolucjonizmu i genetyki populacji, spowodował, że dawne i współczesne sposoby rozumienia pojęcia gatunku są całkowicie odmienne. W uproszczeniu te dzisiejsze można podzielić na te, które uwzględniają wymagania środowiskowe i fizjologiczne osobników jednego gatunku (każdy gatunek ma swoją niszę ekologiczną), i te, w których kładzie się nacisk na bariery w przepływie informacji genetycznej pomiędzy różnymi gatunkami (bariery te sprawiają, że krzyżować się mogą przede wszystkim osobniki tego samego gatunku). Te ostatnie są najważniejsze przy tworzeniu klasyfikacji systematycznej odnoszącej się do pokrewieństwa, czyli klasyfikacji filogenetycznej. Takson z kolei skupia organizmy uznawane za spokrewnione, różniące się konkretną cechą od organizmów zaliczonych do innych taksonów. Jest on istotą Linneuszowskiego hierarchicznego układu jednostek taksonomicznych o utrwalonych nazwach (rodzaj, rodzina, rząd itd.), które pozwalają porównywać ze sobą taksony o tej samej randze. Od Arystotelesa do Whittakera Czemu służy klasyfikacja organizmów? Umysł człowieka ma skłonność do porządkowania złożonej rzeczywistości. Dawne, sztuczne systemy klasyfikacji opierały się na podobieństwie morfologicznym organizmów przy kreacjonistycznym założeniu, że organizmy te powstały jednocześnie. Znane są już z prac Arystotelesa, Pliniusza, a także z wiele późniejszych dokonań Karola Linneusza 5 i oparte są na obecnym aż do dziś w ludzkim umyśle dychotomicznym podziale przyrody ożywionej na dwa królestwa (domeny): Roślin i Zwierząt. Zasługą Linneusza było wprowadzenie binominalnego nazewnictwa gatunków i hierarchicznego układu Pojęcie gatunku było najczęściej definiowane ze wszystkich pojęć biologicznych Królestwo jednokomórkowych organizmów znanych jako Protista wyodrębniono po raz pierwszy w XIX w.

2 2 Systematyka rang taksonomicznych. Rozwinięciem tej koncepcji był m.in. układ Cuviera, zastosowany w odniesieniu do zwierząt. Wtedy to po raz pierwszy w taksonomii wykorzystano na dużą skalę anatomię porównawczą narządów wewnętrznych i dane embriologiczne. Koncepcja liniowego rozwoju organizmów od najprostszych do najbardziej doskonałych zaowocowała systemem klasyfikacji Jeana-Baptiste a Lamarcka. Był to układ ewolucyjno-filogenetyczny, choć odległy od reguł ewolucji stworzonych później m.in. przez Karola Darwina. Powstające w 2. połowie XIX w. koncepcje systematyki zoologicznej próbowały odzwierciedlać postulowane filogenetyczne związki między poszczególnymi grupami organizmów. Były więc systemami naturalnymi, a więc coraz bardziej skomplikowanymi 4. W systemie Ernsta Haeckla z 1868 r. po raz pierwszy wyodrębniono spośród roślin i zwierząt królestwo jednokomórkowych organizmów znanych jako Protista (ryc. 1). Koncepcja pięciu królestw Roberta Whittakera z lat 60. XX w., z podziałem na zwierzęta, rośliny, grzyby, protisty i prokarionty, jest do dziś najszerzej akceptowaną koncepcją podziału świata żywego. Powszechnie uwzględnia się ją w nowoczesnych programach i podręcznikach szkolnych, stanowi też podstawę dla późniejszych systemów klasyfikacji. Sztuczne i naturalne systemy klasyfikacji Wiele osób, w tym niektórzy nauczyciele przedmiotów przyrodniczych, uważa systematykę organizmów za mało ważną i kłopotliwą ze względu na jej zmienność. Nowoczesne systemy klasyfikacji organizmów są traktowane podejrzliwie niczym chwilowe mody, burzące zdroworozsądkową wizję podziału świata na oczywiste, naturalne kategorie, do których łatwo się przyzwyczaić. Szczególną nieufność budzi stosowanie wyrafinowanych metod z wykorzystaniem analizy danych molekularnych, prowadzących do sprzecznych z tzw. wiedzą zdroworozsądkową wniosków na temat pokrewieństw pomiędzy organizmami. Ameba to według tradycjonalistów oczywiście pierwotniak, czyli jednokomórkowe zwierzę, a euglena to glon, tj. przedstawiciel jednokomórkowych organizmów roślinnych. Dochodzimy tu do podstawowego rozróżnienia pomiędzy dwoma sposobami traktowania klasyfikacji. Systematyki organizmów używamy mianowicie w dwóch celach: po pierwsze dla wygody (aby łatwiej dzielić organizmy na dowolne grupy), po drugie dla wiedzy, czyli po to, by zbliżyć się do prawdy o wydarzeniach ewolucyjnych z przeszłości. Stosowanie klasyfikacji systematycznej w nauczaniu powinno łączyć oba te cele. Przykładami pierwszego celu może być podział owocników grzybów kapeluszowych na jadalne, niejadalne i trujące przydatny dla grzybiarza albo podział złowionych w siatkę motyli na ładne i nieładne dokonany przez kolekcjonera. Podział złowionych w stawie bezkręgowców na sześcionożne, ośmionożne, co najmniej dziesięcionożne i pozbawione odnóży to także przykład prostej klasyfikacji stosowanej np. przez ucznia pod kierunkiem nauczyciela, zawierającej już jednak elementy klasyfikacji naturalnej. Sztuczne systemy klasyfikacji, a więc te, które nie uwzględniają filogenezy, odnoszą się do cech dobieranych arbitralnie przez twórcę systemu. Przy tworzeniu klasyfikacji naturalnej arbitralność jest znacznie ograniczona, co widać na przykładzie podziału bezkręgowców ze względu na liczbę odnóży. Dotyczy to zarówno danych na temat morfologii i embriologii, jak i danych genetycznych. Te ostatnie są coraz powszechniej wykorzystywane w odtwarzaniu filogenezy, a ich uzyskanie staje się coraz łatwiejsze. W zasadzie oba rodzaje danych należy traktować w analizie tak samo, z zastrzeżeniem jednak, że danym genetycznym łatwiej nadać formę numeryczną, przydatną w analizie statystycznej, i trudniej w nich o ludzki błąd w ocenie różnic. Z drugiej jednak strony specjalista łatwiej dostrzeże ewolucyjne kierunki, analizując budowę części ciała niż analizując bazę danych w formie ciągu cyfr czy macierzy. W praktyce wygląda to tak, że sprawdzone i powszechnie uznawane systemy klasyfikacji organizmów korzystają z obu źródeł informacji. Spośród wielu grup organizmów to grzyby są najbliżej spokrewnione ze zwierzętami Kontrowersyjna systematyka? W każdym z tradycyjnie wyróżnianych królestw zwolennicy różnych szkół klasyfikacji napotykają rozliczne pułapki. Stosowanie oczywistych, powierzchownych kryteriów morfologicznych prowadziło do niezliczonych korekt systemu i wędrówek grup organizmów pomiędzy nawet największymi jednostkami taksonomicznymi. Na podstawie badań filogenetycznych okazało się, że grzyby włączane tradycyjnie do królestwa roślin (mykologia długo uznawana była za gałąź botaniki) różnią się od roślin najbardziej ze wszystkich organizmów jądrowych, a filogenetycznie i biochemicznie najbliższe są zwierzętom. Cuvierowskie tzw. zwierzokrzewy, osiadłe jamochłony i mszywioły, opisywane jako formy pośrednie pomiędzy światem roślin i zwierząt, to dziś pełnoprawni przedstawiciele królestwa zwierząt. Likwidacja obecnej w podręcznikach od czasów Ernsta Haeckla (a wyróżnianej już przez Arystotelesa) grupy członowców (Articulata) jako jednostki taksonomicznej jest świetnym przykładem rewolucyjnych zmian dokonanych w tradycyjnej, morfologicznej klasyfikacji zwierząt, spowodowanych przez filogenetykę molekularną. Wykazano dzięki niej, że ważniejszym wydarzeniem ewolucyjnym niż wykształcenie członowanej budowy ciała było uzyskanie przez zwierzę zdolności linienia. Zwierzęta

3 Systematyka 3 liniejące (Ecdysozoa) (np. stawonogi i nicienie) są w związku z tym bliżej ze sobą spokrewnione niż zwierzęta o ciele złożonym z wielu segmentów, dlatego stawonogi są ewolucyjnie odległe od pierścienic. Klasycznym przykładem konfliktów pomiędzy tradycyjnym a nowoczesnym stosunkiem do ewolucji organizmów są spory o miejsce w drzewie rodowym i rangę taksonomiczną ptaków i gadów oraz obecnej w podręcznikach szkolnych grupy mszaków (Bryophyta). Konsekwentne stosowanie zasad taksonomii filogenetycznej przynosi jednoznaczne, choć dla niektórych trudne do przyjęcia rozwiązanie. Zarówno gady, jak i mszaki jako grupa polifiletyczna (nieobejmująca wszystkich potomków jednego przodka) nie mogą być traktowane jako grupa taksonomiczna, lecz należy je uznać po prostu za kilka grup podobnych do siebie organizmów. Zastosowanie różnych metod analizy sekwencji genowych do ustalenia pokrewieństwa m.in. kondorów spowodowało, że od lat 90. XX w. ptaki te znajdują się w klasyfikacji albo blisko jastrzębi i sokołów, albo blisko bocianów, lub w całkiem odrębnym rzędzie. Nie ma więc jednego i ostatecznego układu systematycznego organizmów ani tym bardziej klasyfikacji jednoznacznie i ostatecznie przedstawiającej filogenetyczne powiązania pomiędzy ich poszczególnymi grupami. Większość specjalistów od rozmaitych grup organizmów zgadza się, że kwestie pokrewieństwa są bardzo ważne w systematyce i mają większą wagę w sytuacjach wątpliwych niż powierzchowne zewnętrzne lub mikroskopowe podobieństwo. Testowanie hipotez o pokrewieństwie za pomocą procedur naukowej metodologii i stosowanie coraz bardziej zaawansowanych metod oceny pokrewieństwa między organizmami pozwala jednak na określenie, który system klasyfikacji bardziej, a który mniej dokładnie odzwierciedla powiązania filogenetyczne. Można więc wykazać, że jakiś układ systematyczny, choć wygodny, jest sztuczny lub nieaktualny w świetle współczesnej wiedzy. Wiele kontrowersji wśród niespecjalistów budzą nowoczesne sposoby klasyfikacji największych jednostek taksonomicznych na podstawie ich postulowanego pokrewieństwa ewolucyjnego. W stosowanym w nowoczesnych podręcznikach szkolnych podziale organizmów na pięć królestw w ogóle nie omawia się filogenetycznych zależności pomiędzy królestwami, a to one wyjaśniają m.in., dlaczego Protista to królestwo obejmujące organizmy różnorodne i trudne do jednoznacznego zdefiniowania jako grupa. Obecny stan wiedzy na ten temat jest najlepiej opisany w szeroko akceptowanej koncepcji podziału świata żywego na 6 supergrup (ryc. 2). Wykorzystuje się w niej anatomię porównawczą i embriologię organizmów, przede wszystkim jednak bierze się pod uwagę dane na temat sekwencji genowych. Podstawą wyróżniania supergrup są, uznawane za cechy najważniejsze: organizacja materiału genetycznego, charakter wytwarzanych metabolitów, budowa wici komórkowych i ścian komórkowych, a zwłaszcza sposoby i źródła pozyskiwania symbiontów komórkowych (pierwotnych przodków plastydów i mitochondriów). Najważniejsze cechy najnowszych propozycji klasyfikacji organizmów w odróżnieniu od rozpowszechnionej i zalecanej w programach szkolnych koncepcji pięciu królestw Roberta Whittakera: Wyodrębnienie z królestwa pozbawionych jądra komórkowego Prokaryota dwóch, bardzo odległych od siebie supergrup: 1) bakterii, obejmujących także fotosyntetyzujące sinice, oraz 2) archeonów, zamieszkujących z reguły ekstremalne środowiska i bliższych ewolucyjnie eukariontom niż bakterie. Umieszczenie w jednej supergrupie najbliższych sobie grup organizmów: zwierząt i grzybów, traktowanych jako osobne królestwa. Umieszczenie w osobnych supergrupach odległych od siebie grup organizmów jednokomórkowych, łączonych w koncepcji pięciu królestw w Protista, które nie mają ze sobą ewolucyjnie wiele wspólnego, np. klejnotek (euglenin), orzęsków i okrzemek. Łączenie klasycznych systemów z tymi, które bazują na nowych odkryciach naukowych, choć jest przydatne w dydaktyce, może skutkować kłopotami z klasyfikacją niektórych grup organizmów. Trudno o grupę sprawiającą więcej problemów przy próbie zdefiniowania niż tzw. glony. Nazwa ta, nadana na początku XX w. grupie organizmów roślinnych o prostej budowie zamieszkujących środowiska wodne, jest już archaiczna, a zakres jej stosowania zmienił się od czasu, kiedy powstała. Obecnie jest to wyłącznie zwyczajowa nazwa grupy ekologicznej obejmującej autotroficzne organizmy niemające budowy tkankowej i zamieszkujące głównie środowiska wodne lub wilgotne. Są to organizmy należące do różnych królestw, a zaliczamy do nich zarówno jednokomórkowe, jak i wielokomórkowe zielenice będące roślinami, w tym także ramienice o złożonej budowie i znacznych rozmiarach oraz niemające z nimi wspólnych ewolucyjnych przodków samożywne jednokomórkowce o odmiennych historiach ewolucyjnych: sinice, okrzemki i bruzdnice. Jak uczyć systematyki w szkole? Może lepiej uczyć klasyfikacji tradycyjnej, bardziej oczywistej, z zastosowaniem łatwo dostrzegalnej morfologii, zamiast nowoczesnej taksonomii wiarygodnie opisującej filogenezę, ale zawikłanej i nieoczywistej? Nie ma właściwie nic dziwnego w tym, że klasyfikacja organizmów w podręcznikach szkolnych różni się od klasyfikacji opisanej w najnowszych wydaniach podręczników akademickich. Prezentowany w szkole system klasyfikacji powinien przede wszystkim spełniać cele dydaktyczne. Musi być więc uproszczony, dostosowany do percepcji młodego człowieka oraz przejrzysty, aby na jego podstawie łatwo było dostrzec rządzące klasyfikacją reguły oraz cechy rozróżniające, które łatwo skonfrontować z konkretnym, zna-

4 4 Systematyka nym organizmem. Czy wobec tego istnieje potrzeba przekazywania w szkole wiedzy, co do której wiadomo, że jest nieprawdziwa? Jeśli zgadzamy się, że układ systematyczny powinien odzwierciedlać ewolucyjną historię organizmów, czy powinniśmy przekonywać młodych ludzi, że gady to taka sama grupa taksonomiczna jak ssaki, skoro na podstawie niepodważalnych danych wiadomo, że nie sposób oddzielić linii filogenetycznej wszystkich gadów od ptaków. Odpowiedź brzmi: nie. Żadne argumenty nie usprawiedliwiają nazywania gadów jednostką taksonomiczną np. w randze gromady. Należy uczyć o gadach jako grupie podobnych do siebie, ale luźno spokrewnionych zwierząt o wspólnych cechach anatomicznych i fizjologicznych. Faktu, że ptaki są bliskie ewolucyjnie dinozaurom i że należy zaliczać je do jednej gromady, także nie powinno się ukrywać przed uczniami. Najlepiej, gdyby dowiedzieli się o tym w formie ciekawostki. Koncepcja pięciu królestw jest klasyfikacją na tyle nowoczesną, pojemną i łatwą do przyjęcia, że można ją uznać w szkole za wystarczające i pożyteczne dydaktyczne uproszczenie. Nie byłoby niczym nagannym napomknąć, że wśród wielu grup organizmów najbliższe sobie okazują się zwierzęta i grzyby. Informacja ta jest zgodna z najnowszą wiedzą biologiczną. Nie pozostawi w młodym adepcie biologii błędnego przekonania, że powierzchowne podobieństwa morfologiczne muszą stanowić podstawę wnioskowania o ewolucji organizmów. Zbyt daleko idącym ukłonem w stronę wygody wydaje się np. umieszczanie wszystkich heterotroficznych organizmów bez ściany komórkowej w jednym królestwie zwierząt, a wszystkich autotrofów z jądrem komórkowym w królestwie roślin. Ten rozpowszechniony podział, chociaż zgodny z tzw. zdrowym rozsądkiem, nie jest jednoznaczny z wiedzą naukową na temat pochodzenia największych grup organizmów. Większy nacisk warto kłaść na naukę o systemie, czyli regułach klasyfikacji, w oparciu o konkretne przykłady. Z pewnością jednak nie wolno uciekać od nauki jednostek taksonomicznych. Systematyka łączy wiedzę z poszczególnych dziedzin biologii w jeden syntetyczny układ i w tym sensie jest królową nauk biologicznych. Przypisy 1 Loic Matile, Pascal Tassy, Daniel Goujet, Wstęp do systematyki zoologicznej, Warszawa Richard Dawkins, Samolubny gen, Warszawa Wojciech Niedbała, Krzysztof Łastowski (red), Gatunek w systematyce, Poznań Benedykt Chmielowski, Nowe Ateny, Lwów1745 Adam Urbanek, Jedno istnieje tylko zwierzę, Warszawa System klasyfikacji organizmów nauczany w szko le musi być przejrzysty i przede wszystkim spełniać cele dydaktyczne. Dr hab. Paweł Koperski, ur Hydrobiolog, zoolog, pracuje w Zakładzie Hydrobiologii Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Uniwersytetu Warszawskiego. Zajmuje się ekologią i zoologią wodnych bezkręgowców, zwłaszcza pijawek i owadów, oraz ekologią i monitoringiem biologicznym środowisk słodkowodnych. Od lat blisko związany z kwestiami nauczania biologii i przyrody w szkole poprzez publikacje w czasopismach dla nauczycieli oraz działalność w Komitecie Głównym Olimpiady Biologicznej, a także w Podyplomowym Studium dla Nauczycieli Przyrody na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.

5 Systematyka 5 Rys. 1. Drzewo życia Ernsta Haeckla dzielące świat organizmów żywych na 3 królestwa: Plantae, Protista, Animalia. Ilustracja na podstawie: Generelle Morphologie der Organismen (1866). (Wikimedia Commons)

6 6 Systematyka Rys. 2. Supergrupy i zależności filogenetyczne pomiędzy nimi (Wikimedia Commons)