Indriis Muinieks VISPRG BIOLOIJA ORGANISMU DAUDZVEIDBA ORGANISMU DAUDZVEIDBA

Indriķis Muižnieks VISPĀRĪGĀ BIOLOĢIJA ORGANISMU DAUDZVEIDĪBA

ORGANISMU DAUDZVEIDĪBA Bioloģiskās klasifikācijas principi MIKROBIOLOĢIJAS PAMATI IEVADS BOTĀNIKĀ IEVADS ZOOLOĢIJĀ

MIKROBIOLOĢIJAS PAMATI LEKCIJU MATERIĀLI http: //priede. bf. lu. lv/grozs/Mikrobiologijas/Ievads_mikrobiol Kursa vērtējums: 1. deviņi īsie kontroldarbi katras lekcijas laikā, vidējā no sešām labākajām atzīmēm (svars 0, 35); 2. nokārtoti visi laboratorijas darbi un iegūts to protokolu vērtējums (svars 0, 15); 3. rakstiskais eksāmens, kursu noslēdzot (svars 0, 50). Kontroldarbu rakstīšanas un eksāmena pārrakstīšanas iespējas ārpus lekciju laika: dzintra. zala@lu. lv; Dabaszinātņu Akadēmiskajā centrā, Jelgavas ielā 1, 543. telpa

IEVADS MIKROBIOLOĢIJĀ LEKCIJU SARAKSTS 1. Bioloģiskās klasifikācijas principi. 2. Prokarioti un mikroorganismi. Mikrobioloģijas pētījumu objekti, metodes, vēsture. 3. Prokariotu šūnas uzbūve un augšana. 4. Prokariotu vielmaiņas īpatnības. 5. Mikroorganismu izmantošana biotehnoloģijā, lauksaimniecībā, vides aizsardzībā. 6. Prokariotu daudzveidība, baktēriju sistemātika. 7. Vīrusi un par vīrusiem mazākas infekciozās daļiņas. Migrējošā DNS. 8. Prokariotu daudzveidība, vīrusu sistemātika. 9. Infekcijas un imunitāte. Organisma aizsardzība pret infekcijām.

Pirmā lekcija BIOLOĢISKĀS KLASIFIKĀCIJAS PRINCIPI

www. vub. ac. be/. . . /courses/TCB/biodiversity. jpg

ORGANISMU KLASIFIKĀCIJA – MĒĢINĀJUMS SAKĀRTOT BIOLOĢISKO DAUDZVEIDĪBU Klasifikācijas objekts: suga Sugas noteikšanas prakse: a) organismu grupa (populācija) ar pietiekami izteiktu līdzību iedzimtības informācijā (genotipā); noteiktās organisma pazīmēs (fenotipā); raksturīgās ķermeņa formās (morfoloģijā); apdzīvotajā teritorijā (bioģeogrāfijā); b) spēju atpazīt savas sugas piederīgos un radīt auglīgus pēcnācējus.

Pirmā lekcija Klasifikācijas objekts: suga Ernsts Meirs [Mayr ] (1904. - 2005. ) Sintētiskā evolūcijas teorija, Methods and Principles of Systemic Zoology Animal Species and Evolution (1963. ) E. Meira dzīvnieku sugas definīcija: “reāli vai iespējami savstarpēji krustojošās dabiskas populācijas, kas ir reproduktīvi izolētas no citām līdzīgām grupām”.

Taksonomija – bioloģijas nozare, kas pēta organismu klasifikāciju. Taksonomija organismu daudzveidībā veido hierarhiskas klasifikācijas kategorijas jeb taksonus. Hierarhija – sakārtotība, kas balstās uz padotību (mazākās vienības ietvertas lielākās). Dabiskā taksonomija – atspoguļo organismu evolūciju Mākslīgā taksonomija – izmantojama noteiktiem praktiskiem mērķiem

KLASIFIKĀCIJAS PRINCIPI Kā sakārtot ?

KLASIFIKĀCIJAS PRINCIPI Mākslīgā taksonomija

KLASIFIKĀCIJAS PRINCIPI Mākslīgā taksonomija

KLASIFIKĀCIJAS PRINCIPI Dabiskā taksonomija

Bioloģiskā nomenklatūra Karls Linnejs [Carolus Linnaeus] (1707. -1778. ), Species Plantarum (1753. ) Systema Naturae (1758. ) Binārā nomenklatūra

BIOLOĢISKĀS NOMENKLATŪRA = TAKSONU NOSAUKŠANAS NOTEIKUMI (NOMENKLATŪRAS KODI) Binārā nomenklatūra: <Genus><species><Autors> International Code of Zoological Nomenclature, 4 -th ed. (1999) International Code of Botanical Nomenclature (2000) International Code of Nomenclature for Cultivated Plants (2004) International Code of Nomenclature of Bacteria (1990, 1998) International Code of Virus Classification and Nomenclature (2000) Draft Bio. Code (1997). http: //www. iczn. org/iczn/index. jsp http: //www. bgbm. org/iapt/nomenclature/code/Saint. Louis/0000 St. Luistitle. htm http: //www. ishs. org/sci/icracpco. htm http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/books/bv. fcgi? indexed=google&rid=icnb. TOC http: //www. ictvdb. rothamsted. ac. uk/ICTVWeb/rules. html http: //www. bgbm. org/iapt/biocode/

Hierarhiskās klasifikācijas kategorijas taksonomijā Tipu lieto lielākoties zooloģijas, nodalījumu – botānikas objektu klasifikācijā Retāk lietotas kategorijas: zars, triba, leģions, kohorta, alianse Galvenajām taksonomiskajām kategorijām var veidot augstāka un zemāka līmeņa atvasinātās kategorijas: ar priedēkli “virs-” [“super”-] vai “liel-” [“magn- ” ] (kārta) ar priedēkli “apakš-” [“sub”-] vai “infra- ”, “mikro-”, “parvo-”

BIOLOĢISKĀ NOMENKLATŪRA Taksonomijas kategorijas ir sakārtotās stingri noteiktā hierarhiskā sistēmā, tām nosaukumus piešķir atbilstoši nomenklatūras kodeksiem.

BIOLOĢISKĀ NOMENKLATŪRA

Ģints A Sugas šobrīd A Sugas pagātnē B Ģints B C D I Ģints C E F J L K M Sugas senākā pagātnē N G Ģints D Klasifikācijas uzdevums: sakārtot daudzveidību, atspoguļojot tās izcelšanos H

Klasifikācijas uzdevums: sakārtot daudzveidību Dzimta A Sugas šobrīd A Sugas pagātnē B C Dzimta B D I E F J L K M Sugas senākā pagātnē N G H

Klasifikācijas uzdevums: sakārtot daudzveidību Kārta A Sugas šobrīd A Sugas pagātnē B C D I E F J L K M Sugas senākā pagātnē N G H

Klasifikācijas uzdevums: sakārtot daudzveidību Sugas šobrīd A B Sugas pagātnē C D I E F J L G H K M Sugas senākā pagātnē N MONOFILĒTISKI TAKSONI

Klasifikācijas uzdevums: sakārtot daudzveidību Sugas šobrīd A B Sugas pagātnē C D I POLIFILĒTISKI TAKSONI E F J L K M Sugas senākā pagātnē N G H

Klasifikācijas uzdevums: sakārtot daudzveidību Sugas šobrīd A B Sugas pagātnē C D I E F J L N H K M Sugas senākā pagātnē G PARAFILĒTISKI TAKSONI

PAR SUGU MAZĀKAS TAKSONOMISKĀS KATEGORIJAS: Varietātes, formas, rases (augi, dzīvnieki) ESU (evolutionary significant unit) – dabas aizsardzības (konservācijas) mērķiem noteikta populācija Morfas, celmi, rases (sēnes) Celmi, serotipi, serovari, biovari (baktērijas, vīrusi) MĀKSLĪGĀ SELEKCIJA Kultivāri, šķirnes, celmi, rases ar izcilām īpašībām apveltīti augi vai dzīvnieki, kas iegūti cilvēka kontrolētas, mērķtiecīgas selekcijas rezultātā Savi nomenklatūras noteikumi Hosta “Royal Standard”; Hosta ventricosa “Aureomarginata”; H. sieboldiana ‘Elegans’

GALVENĀS TAKSONOMIJAS SKOLAS (metodes) FENĒTISKĀ KLADISTISKĀ MOLEKULĀRĀ EVOLUCIONĀRĀ

FENĒTISKĀ TAKSONOMIJA Arī numeriskā jeb ciparu taksonomija. Klasifikācijas pamatā morfoloģisku vai bioķīmisku pazīmju kopas līdzība

Kultūras un bioķīmiskās īpašības 0 + 0 0 + + + 0 0 0

KLADISTISKĀ TAKSONOMIJA Clade (angl. ) – izcelsmes grupa, ko veido kopējais sencis un tā pēcteči. Esošie organismi tiek traktēti kā zarojumu gala punkti. Zarojumu struktūru nosaka kopīgi iegūtas pazīmes (sinapomorfijas)

KLADISTISKĀ TAKSONOMIJA Parsimonijas (taupības) princips; Konsensus (saskaņas) princips; Plesiomorfiskas (senas) un apomorfiskas (jaunas) pazīmes

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA Molekulārā taksonomija analizē genotipa (DNS), vai tās produktu - RNS un proteīnu struktūru. Metodes: DNS/DNS hibridizācija; r. RNS sekvenēšana; DNS sekvenēšana; proteīnu sekvenēšana; bioinformātikā, molekulārais pulkstenis.

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA DNS ANALĪZE : HIBRIDIZĀCIJA Paaugstinot temperatūru tiek sarautas ūdeņraža saites, kuras veido DNS dubultspirāli. Spirāles pavedieni atdalās, absorbcija UV staros pieaug, jo purīnu un pirimidīnu bāzes kļūst labāk pieejamas (eksponētas) starojumam.

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA DNS ANALĪZE : HIBRIDIZĀCIJA

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA RIBOSOMĀLĀS RNS SEKVENĒŠANA · r. RNS ir relatīvi īsas (120 - 4000 nukleotīdi) ērtas sekvenēšanas darbam. · r. RNS satur gan ļoti konservatīvus, gan arī relatīvi ātrāk mainīgus rajonus. Sekvenēt var gan pašu RNS, gan to kodējošos gēnus. · Katrai organismu grupai tiek meklēta tikai tipiska sekvence r. RNS sastāvā (“paraksts”)

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA DNS SEKVENĒŠANA

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA DNS sekvenēšana Kreigs Venters , 2002. g. TIGR dibinātājs, kopš 2006. gada J. Craig Venter Institute

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA DNS SEKVENĒŠANA Uz kopējo genoma garumu (3, 1 miljardi b. p. ) cilvēka un šimpanzes genomā DNS secībā atšķiras ar apm. 35 miljoniem viennukleotīda polimorfismu (SNP; viens nukleotīds aizstāts ar citu, iestarpināts vai aizmirsts) un 90 Mbp inserciju vai delēciju (indelu). Savukārt, ap 88 procentu cilvēka un šimpanzes DNS secības atšķirību vairs nav atrodamas, salīdzinot cilvēka un neandertālieša genomus. Cilvēks no cilvēka atšķiras ar apm. 10 milj. SNP-iem.

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA PROTEĪNU STRUKTŪRAS ANALĪZE · dažādās sugās salīdzina analogus proteīnus, kas nepieciešami dzīvības pamatprocesu uzturēšanai (piem. : citohroms C, seruma albumīns); · molekulāro un paleontoloģisko datu salīdzināšana norāda, ka vidēji viena miljona gadu laikā, nejaušu mutāciju rezultātā var notikt ap 2, 5 - 3 aminoskābju nomaiņas proteīnā. · uzskaita aminoskābju atšķirības un dala to skaitu ar izmaiņu ātrumu miljona gadu laikā.

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA MOLEKULĀRAIS PULKSTENIS Molekulārā pulksteņa hipotēze paredz, ka bioloģisko makromolekulu izmaiņas notiek lēni, bet ar pastāvīgu ātrumu. Ja ātrums ir pastāvīgs, tad atšķirību daudzums šajās molekulās ir proporcionāla laikam, kas pagājis kopš šīm sugām bijis kopīgs sencis. Izmaiņas makromolekulu struktūrā reģistrē evolūcijas norises.

MOLEKULĀRĀ TAKSONOMIJA PROTEĪNU STRUKTŪRAS ANALĪZE

EVOLUCIONĀRĀ TAKSONOMIJA Darvins, “Sugu izcelšanās”: … klasifikācija kļūs par ģenealoģiju Čārlzs Darvins [Darwin] (1809. - 1882. ) On the Origin of Species by Means of Natural Selection (1859. ) The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex (1871. )

EVOLUCIONĀRĀ TAKSONOMIJA Lieto vairākas metodiskas pieejas, kombinē ar mērķi iegūt organisma attīstības vēsturei atbilstošu klasifikāciju un maksimalizēt viena taksona robežās iekļauto organismu savstarpējo līdzību. Klasifikācija notiek atkārtoti grupējot un pārgrupējot organismus, izmantojot vispirms dažādas analītiskas pieejas un paleontoloģijas datus. Pazīmju konverģence, analoģija, homoloģija

EVOLUCIONĀRĀ TAKSONOMIJA Darvins, “Sugu izcelšanās”: … klasifikācija kļūs par ģenealoģiju FILOĢENĒTISKAIS KOKS

Pirmā lekcija TAKSONOMIJAS VĒSTURE Aristotelis [Ἀριστοτέλης] (384. -322. BC) Scala Naturae, Historia Animalum Dabas objektu iedalījums: Minerāli Augi Dzīvnieki

Dabas valstis Karls Linnejs [Carolus Linnaeus] (1707. -1778. ), Species Plantarum (1753. ) Systema Naturae (1758. ) Binārā nomenklatūra, kreacionisms Dabas valstis: Vegetabilia = Metaphyta = =Plantae; Animalia = Metazoa

Priekšstati par evolūciju Žoržs Bufons [Buffon] (1707. -1788. ), Historie Naturelle (1749. ) 36 sēj. Zemes vecums – vairāki desmiti tūkstoši gadu.

Priekšstati par evolūciju Žans Lamarks [Lamarck] (1744. -1829. ), Flore Francaise (1778. ), Historie Naturelle des Animaux sans Vertebres (1815. -1822. ). Iegūto pazīmju iedzimšana (1801. – 1809. ). “Bioloģija” -1802.

Priekšstati par evolūciju Iegūto pazīmju iedzimšanas iespējamības pamatojums molekulārajā bioloģijā: horizontālā gēnu pārnese, kur notiek apmaiņa ar iedzimtības informāciju starp diviem organismiem, kas pat var nepiederēt pie vienas sugas. Pārnestie gēni nostiprinās jaunajās saimnieka šūnās. A B C D I E F J L G H K M Vertikālā gēnu pārnese – N paudžu maiņā, no vecākiem uz bērniem, no mātšūnas uz meitšūnu

Priekšstati par evolūciju Žoržs Kivje [Cuvier] (1769. -1832. ), Dzīvnieku klasifikācija: mugurkaulnieki; kukaiņi, tārpi. Paleontoloģija, katastrofu teorija.

Priekšstati par evolūciju: katastrofu teorijas pamatojums Krī ta paleontoloģijā per iod ab eig as Katastrofas un evolūcija: adaptīvā radiācija pēc katastrofas

Pēc Tobas vulkāna izvirduma klimats visā pasaulē kļuva aukstāks, izmira gandrīz visas hominīdu grupas, izņemot H. neandertaliensis un mūsu senčus. http: //www. bradshawfoundation. com/stanley_ambrose. php Katastrofas un evolūcija: modernā cilvēka izplatība

Ernests Hekelis [Ernst Haeckel ] (1834. — 1919. ) “Ontoģenēze atkārto filoģenēzi” 1866, trīs dabas valstis: Protista Planta Animalia Herberts Kopelands (Copeland, 1902. – 1968. ); 1956. gadā no protistu valsts atdala vienkāršākās šūnas, prokariotus, valstī Monera

Roberts Vitakers [Robert Whittaker ] (1920. – 1980. ) Augu sabiedrību ekoloģija 1969. ; piecas dabas valstis: Monera Protista Fungi Planta Animalia

TAKSONOMIJAS VĒSTURE Karls Vēse [Carl Woese] (1928. -2012. ) Arhebaktēriju atklājējs, 1977. 1979. ; ierosina sadalīt Monera valsti divās: Eubacteria un Archebacteria 1990. ; ierosina papildus dabas valstīm veidot trīs organismu nodalījumus – domēnus: Bacteria, Archaea, Eukarya

Tommass Kavalje – Smits [Thomas Cavalier-Smith] (1942. ) 2003. ; ierosinājums sadalīt protistu valsti divās: Protozoa, Fungi un Animalia raksturīgs trīs pirimidīnu biosintēzes enzīmu kopproteīns: karbamilfosfāta sintetāzes, dehidroorotāzes un aspargīnskābes transkarbamilāzes aktivitātes ir apvienotas vienā proteīnā. 1) aļģēs, jeb plastīdas saturošajos vienšūnas organismos, kas noteiktos dzīves posmos veido divas vicas: Chromista (“krāsainie protisti”), dikonti; 2) vienšūņi bez plastīdām, kas noteiktos dzīves posmos veido vienu vicu: Protozoa, unikonti.

AUGSTĀKĀS TAKSONOMISKĀS KATEGORIJAS – VALSTIS, DOMĒNI BEZŠŪNU DZĪVĪBAS FORMAS : VĪRUSI

DABAS VALSTIS - PĀRSKATS

DABAS VALSTIS - PĀRSKATS DAP ceļš: diaminopimelīnskābe kā starpprodukts, enzīmi molekulāri radniecīgi arginīna biosintēzes enzīmiem; AAA ceļš: a-aminoadipīnskābe kā starpprodukts, enzīmi molekulāri radniecīgi arginīna un leicīna biosintēzes enzīmiem

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos Spontānā rašanās, “dzīvības spēks” Aristotelis, Akvīnas Toms, Īzaks Ņūtons Dzīvība rodas no organiskām un neorganiskām vielām arī mūsu dienās. Spontānās rašanās hipotēzes noraidīšana eksperimentu palīdzību: Redi (1688), Splaciani (1765), Pastērs (1862) ar

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos 1668 g. Redi eksperiments – mušas nerodas no pūstošas gaļas. http: //biology. clc. uc. edu/courses/bio 114/spontgen. htm 1860. - 1861. g. Pastēra pētījumi, kas pierāda mikroorganismu pašrašanās neiespējamību. 1865. g. - pasterizācija.

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos T. Hekslijs, 1868 – dzīvās šūnas no protoplazmas. L. Trolands, 1914 – dzīvība no autokatalītiskiem enzīmiem Oparina & Haldeina teorija: dzīvības rašanās no organisko vielu buljona reducējošā agrīnās Zemes atmosfērā. 20. g. s. 20. -tie gadi. Nav nepārvaramas robežas starp dzīvo un nedzīvo dabu John Burdon Sanderson Haldane (1892 -1964) Алекса ндр Ива нович Опарин (1894 – 1980)

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos Millera-Uri (Stanley L. Miller & Harold C. Urey) eksperiments – organisko vielu rašānās iespēja agrīnās Zemes atmosfērā un ūdeņos Manfreds Eigens (Eigen) – dzīvība rodas autokatalītisku ciklu un hiperciklu darbības rezultātā. Iļja Prigožins (Prigogine) - fizikāli ķīmiskas sistēmas, sasniedzot kritisku robežu veido pašorganizējošās, sakārtotas struktūra.

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos W. Martin, M. J. Russell Par šūnu izcelšanos: hipotēze par evolūciju no abiotiskas ģeoķīmijas uz hemoautotrofiem prokariotiem un no prokariotiem uz šūnām ar kodolu. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B (2003) 358, 59– 85

Dž. Šostaks (Jack W. Szostak, 1952. ) 2009. g. NP par hromosomu telomeru atklāšanu un to funkciju noskaidrošanu Dzīvības atkārtotas sintēzes teorētiskais pamatojums: Synthesizing life J. W. Szostak, D. P. Bartel & P. L. Luisi NATURE|VOL 409 | 18 JANUARY 2001 |387 -390 Funkcionējoša protošūna Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell S. S. Mansy et al. NATURE|VOL 454 | 4 JUNE 2008 |122 - 125

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos Panspermija Anaksagors (dzīvības sēklas), Bercēliuss (1834. ), Kelvins (1871. ), Arēniuss (1903. , starojums kā sporu nesējs), Kriks (1960. ) Freds Hoils (Hoyle, 1915. -2001. ) Wickramasinghe, N. Chandra (1939. ) Mikroorganismi un vīrusi atrodami kosmisko putekļu mākoņos

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos Šūnām līdzīgas struktūras Alana kalna meteorīta struktūrā (1984. )

Hipotēzes par eikariotu šūnu un to organellu izcelšanos 1960. -to gadu beigās Lina Margulis (Margulis, 1938. -2011. ) izvirzīja hipotēzi par to, ka mitohondriji, kuros notiek ATP sintēze, ir simbiotisku baktēriju pēcteči. Līdzīgas idejas tika izvirzītas par hloroplastu izcelšanos.

Hipotēzes par eikariotu šūnu un to organellu izcelšanos Filips Bells (Philip Bell, postdoctoral research fellow at Macquarie University, New South Wales, Australia; founding Director of Microbiogen Pty Ltd. ) vīrusu eikarioģenēzes teorijas (2001. – 2004. ) autors. Lielie DNS vīrusi kā iespējamie šūnas kodola priekšteči evolūcijā.

DABAS VALSTIS un DOMĒNI - PĀRSKATS DABAS DOMĒNI

DABAS DAUDZVEIDĪBA Ernsts Meirs (Mayr), dzīvnieku taksonomijas klasiķis, apšauba dzīvās dabas iedalījumu trijos domēnos. PNAS, 95, 9720, 1998 Karls Vēse (Woese), arhebaktēriju atklājējs: “Zeme ir mikrobu planēta, uz kuras makroorganismi ir neseni atnācēji - ļoti interesanti un ārkārtīgi sarežģīti. . . bet galu galā salīdzinoši nenozīmīgi globālajā kontekstā. ” PNAS, 95, 11043, 1998