Терминология и номенклатура, используемые в систематике прокариот

Теоретическая биология, частью которой является системати­ка, требует формализации, и поэтому разумно дать вначале крат­кое определение терминов в том смысле, в котором они исполь­зуются в дальнейшем.

Систематика – это отрасль биологии, которая изучает связь между различными группами организмов и устанавливает закономерности, присущие этим связям.

Классификация есть разбиение множества организмов на классы (термин «класс» взят в математическом смысле).

Таксономия есть наименование классов организмов (таксонов), установление их границ и отношения подчинения.

Таксон – группа организмов, обладающих заданной степенью однородности

Диагностика (идентификация) есть способ отыскания заданного таксона и определение принадлежности объекта к таксону.

Конвергенция – схождение признаков в процессе эволюции неблизкородственных групп организмов, приобретение ими сходного строения в результате существования в сходных условиях и одинаково направленного естественного отбора.

Дивергенция – расхождение признаков организмов в процессе эволюции, приводящая к образованию новых видов и надвидовых систематических групп и возникновению разрывов между ними.

Кладогенез – форма эволюции групп живых организмов, приводящая посредством дивергенции к увеличению числа ограниченных друг от друга видов, родов, семейств и т. д.

Кладистика – эволюционное учение.

Монофиллия – происхождение данной группы организмов от общего предка; основной принцип эволюции органического мира. Наглядное выражение монофилии – изображение истории развития органической природы и филогенетических отношений между естественными группами в виде родословного древа.

Номенклатура есть сборник правил наименования таксонов, дополненный списком этих наименований.

Таксономия, которая переводит объекты живой природы в язык человека, и, соответственно, в его мышление, оказывается важнейшим разделом теоретической биологии. Изу­чение отношений между таксонами позволяет установить, отношение между объектами и построить формальную модель, которая согласно приведенному определению является система­тикой данной группы организмов.

Как видно из приведенных определений, классификация, так­сономия, номенклатура близко связаны друг с другом и отража­ют разные аспекты одной и той же операции, которая приводит к построению системы.

Деятельность систематиков регламентируется международны­ми кодексами номенклатуры: ботаническим, зоологическим и кодексом номенклатуры бактерий. Последний был принят на Международном микробиологическом конгрессе в Москве, но уже в 1973 г. его заменила новая редакция. Кодекс включает Принципы, Правила и Рекомендации.

Правила номенклатуры, установленные кодексом, определяют правильность применения названий к дифференцируемым таксонам. Основными целями номенклатуры являются: 1) обеспечение устойчивости названий, 2) отклонение названий, использование которых может привести к ошибкам или неясностям. Научные названия таксонов заимствуются из латин­ского или греческого языка и подчиняются грамматике класси­ческой латыни. Номенклатура включает термины двух типов. К первому типу относятся названия категорий таксонов, основ­ные из которых перечислены в восходящем порядке: вид, род, семейство, порядок, класс, отдел.

Второй тип терминов номенклатуры — это соб­ственные названия отдельных таксонов, например Pseudomonas fluorescens, Enterobacteriaceae. Отношения подчинения выражены в названиях таксонов грамматическими средствами: название каждого таксона между подклассом и родом имеет суффикс, при­бавляемый коснове названия типового рода и фиксирующий таксономический ранг. Основной целью присвоения названия таксона является не его характеристика, а возможность ссылать­ся на него. Фундаментальным принципом номенклатуры являет­ся принцип приоритета, по которому правильным названием мо­жет быть только первое присвоение данному организму.

Таким образом, номенклатура представляет язык систематики.

В систематике бактерий для наименования объекта использу­ют биномиальную номенклатуру К. Линнея (К. Linne, 1707 - 1778), согласно которой биологическому виду присваивают название, состоящее из двух слов: первое определяет принадлежность орга­низма к определенному роду, второе - виду. Названия бактериям присваивают в соответствии с правилами Международного ко­декса номенклатуры бактерий.

Основной таксономической категорией является вид. От­несение прокариотных организмов к одному или разным видам осуществляется в большой степени эмпирическим путем на ос­нове анализа многих признаков. Виды объединяют в таксоны более высокого порядка - роды, роды - в семейства, далее следуют порядки, классы, отделы, царства.

В микробиологии употребляются такие термины, как «популяция», «штамм» и «клон». Популяция — это ми­нимальная по численности группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длитель­ного времени населяющая определенное про­странство и формирующая собственную экологи­ческую нишу.

Под штаммом понимают бактериальные культуры одного вида, выделенные, например, из разных мест обитания.

Клон - еще более узкое понятие, это культура, выделенная из одной клетки.

Для прямого описания объектов в систематике используют­ся признаки, образующие информационный язык дескрипторного типа. В отличие от названий таксонов дескрипторы не регла­ментированы, но практика систематики создает довольно устой­чивый и общепризнанный словарь дескрипторов, применяемых в прямом описании объектов таксономии. Например, для описания родов бактерий используется всего около 100 дескрипторов.

Систематик стремится пользоваться устойчивыми признаками. Легче всего добиться устойчивости системы, если пользоваться не одним признаком, а несколькими. Тогда вероятность их одновременного изменения будет опреде­ляться произведением вероятностей мутаций каждого признака, что представляет достаточно малую величину. Итак, видовой признак – это такая устойчивая наследственная комбинация качеств организма, которая не подвержена случайным изменениям и не может рассматриваться как нечто неделимое, не являясь таковым по существу.

Объем генетической информации, заключенной в геноме, не безграничен. У низших организмов число признаков, которые могут быть кодированы в геноме, оказывается небольшим вслед­ствие малой величины содержания ДНК на клетку. Но у более сложных организмов количество генетической информации возрастает не пропорционально ко­личеству ДНК. У высших организмов имеется дублирование генов, далее, часть информации оказывается нереализуемой. Поэтому диагноз организма, записанный в его геноме, является «правильным» только для бактерий.

Генетика установила законы, по которым происходит пере­распределение признаков между организмами. Эти законы ос­новываются на рекомбинации дискретной генетической инфор­мации при половом или парасексуальном процессе. Несомнен­но, что система живых существ возникла в результате эволюции независимо от того, каким именно способом обмена генетиче­ской информацией обладала каждая конкретная группа орга­низмов.

В таксономии может быть использовано любое свойство, которое позволяет различать организмы. В зависимости от рассматриваемого объекта понятие признака может иметь разный объем. Наличие внутреннего скелета является единичным приз­наком при рассмотрении всей группы позвоночных, но при изу­чении отдельных отрядов значение имеют уже детали строения скелета. Далеко не всегда таксономический признак может най­ти рациональное обоснование. Наилучшим примером такого признака в бактериологии служит окраска по Граму. Этот бессмысленный биологический признак оказался глубоко связан со строением клеточной стенки и, следовательно, с морфологией бактерий.

В практической работе систематик стремилсяиспользовать по возможности признаки, принадлежащие разным функциональным комплексам, так как независимость признаков обеспечивает устойчивость системы.

Обычно систематик разрабатывает частную систему некоторой группы организмов. Встречающиеся признаки он разделяет на две категории: первая встречается (или не встречается) у всех представителей рассматриваемой группы. Эти признаки он игнорирует, но именно они будут использованы при попытки построить на основе частных систематик общую систему. Ко второй категории относятся признаки, встречающиеся только у некоторых представителей группы и пригодные для дифференциации таксонов.

Классифицировать объекты — значит разбить их множество на классы, в пределах которых объекты представляются нам по каким-либо причинам равноценными. Полученные подмножества называются классами эквивалентности. Если каждый объект входит в точности в одно подмножество, т. е. объедине­ние подмножеств равно множеству, а их пересечение пусто, то полученная система называется разбиением множества, а подмножества — классами разбиения.

Задача классификации — найти разбиение, которое соответствует наилучшим образом не­которым предвзятым идеям, т. е. выявлению тех свойств, кото­рые кажутся нам существенными. В бактериологии под естественной по­нимают иногда классификацию, основанную на продуктах обме­на, т. е. фактически классификацию «физиологических групп». Отсюда видно, что классификаций может быть много, но в бак­териологии задача состоит в том, чтобы найти такую, в которой один класс эквивалентности уверенно отличался от другого.

Пусть М - множество классифицируемых объектов. Если каждый элемент из множества М имеет единственный образ в L, то объединение подмножеств, имеющих общий образ, равно М, а поскольку каждый элемент имеет единственный образ, то под­множества не пересекаются. Следовательно, эти подмножества образуют разбиение, и отношение между элементами есть экви­валентность. Остается каждому образу дать таксономическое наименование, и задачи биологической классификации и таксономии решены.

Эквивалентность задает­ся совпадением в фиксированном наборе признаков.

Ныне существующий кодекс номенклатуры относится к ко­дексам, основанным на типах («номиниферах»). В 1918 г. в противоположность так называемому Венскому кодексу комис­сия Американского ботанического общества представила свой проект кодекса, в который ввела принцип номенклатурных ти­пов, утверждая, что он не противоречит ранее принятому кодексу. На самом деле это не так. Номенкла­турные типы фактически дали иной способ классификации объ­ектов - по эталонам. Классификация по эталонам легла в основу построения фенотипической систематики прокариот.

Чтобы строить классификацию на основе перечисления признаков, необходимо знать относительно каждого признака, входит ли он в диагноз каждого объекта или нет, т. е. таксоно­мическое отношение должно быть определено на всем множе­стве. классифицируемых организмов.

Классификация в наглядной форме может быть представлена графом, который является графическим выражением отношений. Классификация может быть изображена деревом, состоящим из узлов и соединяющих узлы линий. Каждый узел соответствует какому-то признаку. Ярусы дерева составлены из признаков, образующих разбиение. Привычный пример классификационного дерева - диагностический ключ. Каж­дому таксону соответствует маршрут, соединяющий узлы, распо­ложенные в разных ярусах. Существенное отличие классифика­ционного дерева от филогенетического состоит в том, что, несмот­ря на внешнее сходство, в филогенетическом дереве таксонам соответствуют узлы; а в классификационном – маршруты. Концы ветвей (минимальные элементы) классификационного дере­ва - окончания маршрутов, обозначающих таксоны низшего ранга. Когда филогению объединили с классификацией, то воз­никла забавная путаница. В классификационном дереве один вид (маршрут, заканчивающийся минимальным элементам) не может предшествовать другому, виду предшествует род. Эволюционисты, формирующие на осно­вании классификационного дерева филогенетическое, ищут общего предка, но ни один вид как минимальный элемент не может быть чьим бы то ни было предком, а оказывается «бли­жайшим родственникам», а дерево — состоящим из «тупиков эволюции». Филогенетическое и классификационное дерево имеют то общее, что отражают увеличение числа признаков в одном случае в процессе исторического развития, в другом — при переходе от общего к частному. Подобно тому как в эволюции возрастает объем генома, в классификации увеличивается число признаков.

Возможность предсказания событий является важнейшим свойством теоретических дисциплин. Классификация организмов с помощью диагнозов, основанных на взвешенных признаках, позволяет вычислить пространство логических возможностей и предсказать некоторые свойства еще не описанных организмов.

В заключение следует подчеркнуть, что всякая классификация строится для достижения определенной цели, которой служит в науке познание закономерностей. Одно и тоже множество объектов может быть классифицировано разными способами в соответствии с многомерностью свойств объектов. В этом отношении для познания роли бактерий в природе их классификации на основе морфо-физиологических родов оказалась чрезвычайно удобной, потому что она соответствовала их функциональной роли в природных процессах.

Фенотипическая систематика

Существуют 2 типа систематики биологических объектов: филогенетическая, или естественная, в основе которой лежит установление родственных (генетических, эволюционных) связей между организмами, и практическая, или искусственная, цель которой - выявление степени сходства между организмами для быстрой их идентификации и установления принадлежности к определенным таксонам.

Системы классификации основанные на произвольно выбранных критериях, называют искусственными. Искусственную или практическую систематику используют с целью выявления степени сходства между организмами для быстрой их идентификации и установления принадлежности к определенным таксонам.

В разное время в основание системы были положены различные принципы, разные авторы обращали внимание на различные закономерности, которые им удавалось обнаружить при изучении биологических объектов. Некоторые искусственные системы оказались вполне жизнеспособными и выдержали испытание временем до наших дней. Это означает, что положенные в их основу закономерности и принципы, хотя бы частично, верны.

Хронологически первыми были попытки использовать накопленные сведения о фенотипических признаках бактерий для построения традиционной системы в виде некоего «генеалогического древа». В основу создания системы был положен и традиционный принцип. Все используемые признаки мысленно распределяли по степени их значимости, результатом чего являлось субъективное (основанное только на опыте и интуиции исследователя) создание иерархической системы признаков. Затем в зависимости oт важности признаков объекты разбивали на таксономические группы.

Вначале основное внимание уделяли морфологическим признакам бактерий. Так, в 1872 г. Ф.Кон (F.Cohn, 1828 — 1898) раз­делил бактерии на группы по морфологическим признакам: кокки, короткие палочки, удлиненные палочки, спирали. Однако вскоре стало ясно, что морфологические признаки недостаточны для удовлетворительного распределения бактерий по таксономическим группам. Для этой цели стали привлекать физиологические признаки. В 1909 г. С. Орла-Йенсен (S.Orla-Jensen) сделал попытку классифицировать бактерии на основе известных к тому времени физиологических признаков. Бьюкенен в 1925 г. открыл веху в систематике бактерий по принципу наменклатурных типов. Теоретические основы принятой сейчас фенотипической систематике были сформулированы Клюйвером и Ван Нилом в 1936 г., которые рассматривали род как морфофизиологическое единство. Впоследствии Ван Нил (1955) трансформировал идею Виноградского (1952) о «биотипах» бактерий в представлении о «типовых видах», которое слилось с типовыми культурами коллекций.

Стениер в 1968 г. утверждал, что физиологические признаки, которые у бактерий могут использоваться в качестве таксономических, - это прежде всего определенные метаболические унитарные системы процессов, определяемые многоферментными системами. Такие процессы и приводят к физиологическому многообразию бактерий, позволяя различать организмы по образуемому или используемому веществу.

Подход, сформулированный Стениером, представляется наиболее разумным, потому что позволяет сохранить и использовать имеющуюся сумму знаний, избежав необходимости составлять диагнозы заново для всех родов.

В основу построения фенотипической системы бактерий были положены список признаков, необходимый для диагностики всех родов, их было выделено 78. Анализ признаков показал, что их можно разбить на 13 групп. Таким образом, каждому роду в этой системе соответствовал набор из 13 признаков. Это дает 2,5 млн комбинаций. Установив несовместимость признаков, можно вычеркнуть те комбинации, которые содержат хотя бы одну пару несовместимых признаков. Оставшиеся разрешенные комбинации дадут описание пространства логических возможностей.

Пространство логических возможностей.

Если имеется заданный набор признаков, то из него можно построить ограниченное число диагнозов, часть из которых будет соответствовать реально существующим объектам, а часть - только мыслимым. Все возможные комбинации из заданного набора признаков дают универсальное пространство возможностей. Чтобы построить такое пространство, необходимо установить разбиение признаков на классы таким образом, чтобы в диагнозе участвовал только один признак каждого класса разбиения Каждый признак обычно можно представить как проявление некоторого свойства, например подвижности. Тогда одно из проявлений этого свойства автоматически исключает другие. Например, у бактерий подвижность посредством жгутика исключает подвижность посредством скольжения. Для практических целей, однако, необходимо применять юридически точные формулировки, чтобы избежать неясности толкования. В приведенном примере правильнее, вероятно, говорить о «способности к движению». В упорядоченном путем разбиения на группы списке признаков универсальное пространство определяется произведением чисел разбиения в каждом классе. Для част­ного случая разбиения на два («признак присутствует», «признак отсутствует»), в каждом классе универсальное пространство равно 2^я, где n—число классов.

Если при разбиении признаков была допущена иерархич­ность, то часть подчиненных признаков оказывается бессмысленной. Например, для двух пар признаков: «подвижен» или «неподвижен» и «обладает жгутиками» или «способен к сколь­жению», вторая пара признаков осмыслена только с первым признаком. Очевидно, что бессмысленные комбинации должны быть исключены как логически несовместимые. В результате универсальное пространство возможностей превращается в за­ключенное в него пространство логических возможностей.

В бактериальной систематике при наименовании нового вида выделяют типовой штамм – первый опознанный организм нового сорта, который хранится в коллекции культур. Типовой штамм важен с точки зрения номенклатуры, так как за ним закреплено видовое название.

Основной единицей бактериальной таксономии является вид, который определяется как группа штаммов, включающая типовой штамм, имеющий 70% или более родство ДНК-ДНК между гомологичным и гегерологичным гибридами, формирующимися при стандартных условиях. Общепринято, что с этим определением должны согласовываться фенотипические и хемотаксономические признаки. Обозначенный типовой штамм вида служит в ка­честве именного носителя вида и как референс- образец.

Принципиальным требованием классификации на основе типизации служит доступность эталона для сравнения. Сохранение эталона дает возможность вернуться к его исследованию с целью установления признаков, ставших доступными с развитием новых методов. Принципиальным ограничением классификации на основе типизации служит исследование единичного экземпляра и, следовательно, игнорирование природной вариабельности. Принцип классификации по эталону дает возможность сравнивать объекты не перечисляя их признаки, по общему сходству. Поскольку сравнение бактерий проводилось по их химической активности, то была необходима чистая живая культура.

К настоящему времени созданы и существуют несколько коллекций типовых культур бактерий: в США – АТСС, в Германии – DSMZ, в СССР – ВКМ (Всесоюзная, ныне Всероссийская, коллекция Микроорганизмов), где культуры сохраняются в лиофилизированном виде или в жидком азоте. Обладание такой коллекцией дает стране необычайные преимущества – она располагает всеми генетическими ресурсами микробного разнообразия в мире. Любой новый выделенный и идентифицированный штамм бесплатно передается стране-обладателю коллекции, где ему присваивают номер типового штамма и включают в каталог.

Принцип 5, Кодекса номенклатуры бактерий 1973 г. гласит: «Применение названий таксонов определяется посредством номенклатурных типов, обозначаемых в этом Кодексе «типы». Для каждого таксона указываемся номенклатурный тип - элемент таксона, с которым постоянно связано его название. Для класса типом служит один из порядков, для порядка и семейства - один из родов, для рода - вид, а для вида - штамм, т.е. живая культура, сохраняемая в одной из постоянно учрежденных коллекций. Лишь как исключение живая культура может быть заменена гербарным образцом, иллюстрацией или описанием. Замена многообразия бактерий в природе множе­ством типовых культур, сохраняющихся в коллекциях, разумеет­ся, упрощает задачи классификации.

3. Нумерическая таксономия.

Первые предложенные схемы классификации бактерий были крайне субъективны. Это привело группу систематиков бактерий к использованию иного подхода для определения степени сход­ства между прокариотами - нумерической систематики. В осно­ве ее лежат идеи, сформулированные в середине XVIII в. фран­цузским ботаником М.Адансоном (M.Adanson, 1727 - 1806): все признаки объекта считаются равноценными; при описании ис­следуемого объекта используется максимальное количество при­знаков, которые могут быть изучены и определены; степень сход­ства устанавливается на основании количества совпадающих при­знаков и выражается в виде коэффициента сходства. Последний для двух сравниваемых штаммов получают путем определения от­ношения числа одинаковых признаков к общему числу изученных признаков. Значение коэффициента сходства меняется в диапазо­не от 1 (полная идентичность) до 0 (несовпадение ни по одному изученному признаку).

Для распределения степени сходства организмов в нумерической систематике активно применяются другие графические эллюстрации. сходства между ними. Для любой пары организмов расчет сходства можно сделать двумя слегка различающимися ме­тодами. Коэффициент сходства Sj не учитывает признаки, которые у обоих организмов отрицательны, и ос­новывается только на положительных парах; при вычислении коэффициента соответствия Ss (matching coefficient) исполь­зуются как положительные, так и отрицательные пары при­знаков.

___a___

Коэффициент сходства (Sj) = а +б + с

___a + d____

Коэффициент сходства (Ss) = а +б + с + d

где:

а - число признаков, положительных у обоих штаммов;

b - число признаков, положительных у штамма 1 и отрицательных у штам­ма 2;

c - число признаков, отрицательных у штамма 1 и положительных у штам­ма 2;

d - число признаков, отрицательных у обоих штаммов.

После того как попарно вычислены коэффициенты сход­ства или соответствия для всех изучаемых организмов, данные располагают в виде матрицы сходства. В качестве примера на рисунке А показана такая матрица для серии из 10 бактериальных штаммов. После просмотра она может быть пе­рестроена таким образом, чтобы сходные штаммы оказались по соседству (рисунок Б). Затем данные располагают в ви­де дендрограммы (рисунок), служащей основой для опре­деления таксономического положения организмов, исходя из численных связей между ними. Две пунктирные линии на дендрограмме показывают уровни сходства, которые можно рас­сматривать как достаточные для разграничения двух раз­личных таксономических категорий (например, рода и вида). Нумерическая таксономия в отличие от филогенетической не позволяет делать дополнительные

Рисунок. Матрицы сходства для коллекции из 10 бактериальных штаммов, обозначенных буквами от А до J.

А. Матрица сходства до перераспределения. В. Матрица сходства после перераспределения. Штаммы расположены таким образом, чтобы рядом оказались те из них, которые наиболее сходны по фенотипу

выводы, касающиеся эволюции организмов, но она обеспечивает более объектив­ную и устойчивую основу для создания таксономических групп. Может быть, самое большое преимущество этой сис­темы заключается в том, что ее нельзя использовать до тех пор, пока не будет определено относительно большое число признаков; таким образом, ее применение заставляет тща­тельно изучать фенотипы. Кроме того, по мере установления признаков данной группы результаты анализа можно непре­рывно пересматривать и усовершенствовать.

Классификация, построенная на принципах М.Адансона, - трудоемкий процесс, поэтому свое развитие и практическое при­менение она получила лишь в последнее время в связи с успехами в области вычислительной техники. Преимущества ее заключают­ся в формальном устранении элемента субъективности, посколь­ку все признаки объекта принимаются равноценными.

Рисунок.Дендрограмма, показывающая взаимоотношения между сходными бактериальными штаммами, данные о которых представлены на рисунке А и В. Две пунктирные вертикальные линии обозначают возможные уровни сходства, при которых могут быть установлены последовательные разряды (например род и вид) в таксономической иерархии.

Для сравнения большого количест­ва штаммов микроорганизмов по зна­чительному числу признаков разрабо­таны специальные эффективные чис­ловые методы анализа с использова­нием разнообразных компьютерных систем. ЭВМ проводит сравнение вве­денных данных и печатает список культур в таком порядке: за каждым штаммом указывается тот штамм, ко­торый имеет наибольшую степень сходства с предыдущим.

Критика адансоновской системы сводится к следующему. Выбор тестов для определения признаков остается субъективным. Нельзя пользоваться одними и теми же признаками для определения, например, молочнокислых и нитрифицирующих бактерий. Вместе с тем число используемых признаков состав­ляет лишь незначительную часть от содержащихся в геноме организма. Следовательно, получается весьма неполная информация. Равные с адансоновской точки зрения признаки несут неравное количество генетической информации. Например, использование триптофана видом Pseudomonas требует 12 специфических энзимов этого метаболического пути, в то время как для вовлечения углекислоты в автотрофный путь достаточно двух.

Кроме того, поскольку объем информации постоянно возра­стает, значение коэффициента сходства может меняться в сторо­ну увеличения (при обнаружении новых одинаковых признаков) или уменьшения (при увеличении числа несовпадающих призна­ков). Поэтому при установлении признаков для группы организмов результаты анализа необходимо постоянно пересматривать и усовершенствовать. Нумерическая таксономия может быть полезна при оценке степени сходства между таксонами невысокого ранга (виды, роды), но прямого отношения к созданию филогенетической системы прокариот не имеет.

Наконец, последнее, но самое важное: результаты нумерической систематики не принесли пока ничего нового в изучение крупных таксономических групп.

Сознавая недостатки принципа равного веса, Е. С. Смирнов (1969), который начал разрабатывать нумерическую систему задолго до ее широкого распространения, предложил оценивать диагностический вес признака величиной, обратной частоте его встречаемости.