Базовая опора: Система органического мира: бактерии, археи, эукариоты и дерево родства
Повторение материала базового уровня перед углублённым разбором. Разберём, какие группы есть в современной системе живого, чем клеточное строение отличается от родства и почему «протисты» и вирусы нельзя просто поставить рядом с царствами.
Федеральная программа · углублённый уровень · 11 класс
Происхождение и развитие жизни на Земле
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Система органического мира как отражение эволюции
- Крупные группы клеточных организмов
- Бактерии, археи и эукариоты
- Растения, грибы, животные и разнообразные одноклеточные эукариоты
- Таксоны, виды и клады
- Свидетельства родства по строению клеток, молекулам и ископаемым
- Происхождение органелл и границы школьной схемы
Как это устроено
Школьная схема часто начинает с трёх крупных названий — бактерии, археи, эукариоты. Она удобна для сравнения клеток: у бактерий и архей нет оформленного ядра, у эукариот оно есть. Но одинаковое отсутствие ядра не делает бактерий и архей одной близкой ветвью: это описательное слово «прокариоты», а не самостоятельная клада. Геномные исследования связывают происхождение эукариот с древней архейной линией и бактериальным участником эндосимбиоза; точное ветвление активно уточняется. Поэтому три колонки учебной схемы не надо читать как три равноудалённых ствола.
Внутри эукариот животные и грибы ближе друг к другу, чем к зелёным растениям, хотя гриб внешне может напоминать растение. Растения в школьной схеме включают наземные формы и близкие зелёные водоросли; весь круг эукариот с фотосинтезом этим не исчерпывается. Среди других эукариот есть амёбы, инфузории, диатомовые и многие иные линии. Слово «протисты» помогает говорить об этом разнообразии, но нельзя рисовать один общий «царство протистов» как будто оно содержит предка и всех потомков только этой группы.
Систематика опирается не на один броский признак. Внешнее сходство бывает результатом близкого родства или независимого приспособления; поэтому сопоставляют гомологичные структуры, клеточные признаки, последовательности ДНК и, где возможно, ископаемые. Клада определяется общим предком и всеми потомками. Например, если на схеме птицы происходят внутри динозавров, исключение птиц из динозавров оставит неполную группу. Ранги «вид», «род» и «семейство» помогают именовать вложенные таксоны, но не измеряют их биологическую ценность.
Митохондрии эукариот имеют бактериальное происхождение, а пластиды фотосинтезирующих эукариот связаны с цианобактериями. Это подтверждают их наследственный материал и сравнение молекулярных систем, хотя пути происхождения разных линий пластид сложнее одной стрелки. Вирусы имеют геномы и эволюционируют, однако у них нет собственной клетки и самостоятельного клеточного размножения; поэтому их изучают отдельно, а не ставят четвёртым царством или четвёртым типом клеток. Вся схема — проверяемая модель родства, уточняемая новыми данными.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Систематика
Раздел биологии, описывающий разнообразие организмов, правила их называния и группировку с учётом установленных эволюционных связей.
Пример: Ученые сопоставляют признаки и последовательности ДНК, чтобы уточнить положение вида на дереве родства.
- Таксон
Названная группа организмов определённого объёма в классификации; её название само по себе ещё не доказывает, что она включает всех потомков общего предка.
Пример: Род Homo и вид Homo sapiens — таксоны разных рангов.
- Таксономический ранг
Уровень в иерархии классификации, например вид, род, семейство или более крупная группа; ранги служат организации названий, а не измерению возраста или «совершенства».
Пример: Вид Homo sapiens входит в род Homo, но слово «род» не сообщает дату его возникновения.
- Вид
Основная единица классификации; границы вида устанавливают по совокупности признаков и истории популяций, а один универсальный критерий не работает для всех организмов.
Пример: Для размножающихся половым путём животных учитывают скрещивание и происхождение; для бактерий нужны иные данные.
- Клада
Эволюционная ветвь, содержащая общего предка и всех его потомков, включая линии, которые внешне сильно изменились.
Пример: Птицы остаются внутри клады динозавров, хотя внешне отличаются от многих ископаемых динозавров.
- Последний общий предок
Древняя популяция на схеме родства, от которой происходят рассматриваемые ветви; это не обязательно уже найденная конкретная ископаемая особь.
Пример: У человека и шимпанзе был общий предок, но современные шимпанзе не являются предками современных людей.
- Бактерии
Крупная группа клеточных организмов без оформленного мембраной ядра; отличается от архей рядом особенностей молекул, генов и клеточных оболочек.
Пример: Цианобактерии — бактерии, способные к кислородному фотосинтезу; их не следует называть растениями.
- Археи
Крупная группа клеточных организмов без оформленного ядра, молекулярно отличная от бактерий и включающая линии, важные для исследования происхождения эукариот.
Пример: Некоторые археи производят метан; другие живут в обычных морских и почвенных сообществах, не только в экстремальных условиях.
- Эукариоты
Организмы, клетки которых имеют оформленное мембраной ядро; к ним относятся животные, грибы, растения и множество иных линий.
Пример: Клетки дуба, дрожжей и амёбы эукариотические, но эти организмы не принадлежат одному царству.
- Прокариоты
Описательное название бактерий и архей по отсутствию оформленного ядра, а не доказанная единая клада, противопоставленная всем эукариотам.
Пример: Бактерию и архею можно вместе назвать прокариотическими клетками по строению, но нельзя автоматически считать сестринскими ветвями.
- Растения
В школьном смысле группа эукариот, включающая наземные растения и близкие зелёные водоросли; состав группы нужно уточнять при сравнении разных систем.
Пример: Мох и сосна — растения; цианобактерия фотосинтезирует, но не является растением.
- Грибы
Эволюционная линия эукариот с осмотрофным питанием; большинство имеет клеточную стенку с хитином и разветвлённые нити, хотя существуют одноклеточные формы.
Пример: Шляпочный гриб и пекарские дрожжи относятся к грибам, а похожая на гриб фитофтора — к другой линии эукариот.
- Животные
Эволюционная линия многоклеточных эукариот, клетки которых не имеют жёсткой клеточной стенки, а питание связано с поглощением органических веществ.
Пример: Медуза и человек — животные; неподвижная губка тоже животное, поэтому движение не годится как единственный критерий.
- Протисты
Удобное собирательное название разнообразных эукариот, не отнесённых в школьной схеме к животным, грибам или растениям; это не одна естественная клада.
Пример: Амёба, инфузория и диатомовая водоросль могут называться протистами, но не образуют одну близкородственную ветвь.
- Эндосимбиоз
Длительное существование одной клетки внутри другой, которое в истории эукариот привело к возникновению некоторых органелл из бактериальных предков.
Пример: Митохондрии связаны с бактериальным предком; пластиды растений — с линией цианобактерий.
- Вирус
Неклеточная инфекционная система с генетическим материалом и белковой оболочкой, размножающаяся только с использованием клетки хозяина.
Пример: Вирус гриппа не имеет собственного клеточного ядра и не помещается в дерево клеточных организмов как отдельное царство.
Пример по шагам
Ученик расставил «бактерии → археи → протисты → грибы → растения → животные» как лестницу развития. Найдите минимум четыре ошибки.
- Бактерии, археи и эукариоты — сосуществующие ветви, не последовательные ступени превращения друг в друга.
- «Протисты» объединяют разные линии эукариот и не являются одной обязательной ступенью перед грибами или животными.
- Грибы и животные имеют более близкого общего предка друг с другом, чем с зелёными растениями; внешняя неподвижность гриба не делает его растением.
- Современные растения и животные не являются «более совершенным финалом» бактерий: каждая живая ветвь продолжала собственную эволюцию.
Вывод: Классификация — ветвящаяся гипотеза родства, а не цепочка от «простого» к «лучшему».
Практическая работа
Классификация по нескольким независимым свидетельствам
- Подготовьте карточки для сосны, дрожжей, человека, амёбы, цианобактерии, метаногенной археи и вируса гриппа; для каждой отметьте клеточность и наличие ядра.
- Разместите клеточные организмы в трёх учебных группах, затем внутри эукариот отметьте растения, грибы, животных и прочие линии. Вирус вынесите за дерево клеток.
- На обратной стороне карточек запишите ещё по одному свидетельству: тип питания, особенность оболочки или результат сравнения последовательностей; отметьте случаи, где один признак ввёл бы в заблуждение.
- Подпишите, что эта карта не задаёт точную топологию родства эукариот и архей и не превращает «протистов» в одну кладу.
Что можно заключить: Несколько признаков и данные происхождения надёжнее одного внешнего сходства; учебные группы и эволюционные клады не всегда совпадают.
Безопасность: Используйте готовые описания и изображения организмов; не выращивайте неизвестные микробы и не берите клинические образцы для домашней работы.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.