Основы биоинформатики - Огурцов А.Н. 2013

Основания биоинформатики
Примеры сравнения данных
Биологическая классификация и номенклатура

Биологическая номенклатура основана на идее, что живые организмы подразделяются на виды - группы схожих организмов с одинаковым геномом.

Шведский натуралист Карл Линней (Carl von Linne, 1707-1778 г.) классифицировал организмы согласно иерархии: царство, тип, класс, порядок, семейство, род и вид (таблица 3).

Таблица 3 - Классификация человека и плодовой мушки

Современные таксономисты (классификаторы) (от англ. taxonomist - систематик) вводят также некоторые дополнительные уровни (таксоны).

В настоящее время общепринята двойная (биноминальная номенклатура), суть которой в том, что название вида состоит из двух латинских слов: первое - название рода, второе - название вида.

Например, человек относится к виду Homo sapiens, плодовая мушка - к виду Drosophila melanogaster.

Каждый вид однозначно определяется двойным названием, кроме того, для некоторых видов существуют тривиальное название (например, Bos Taurus - бык (корова)). Конечно, большинство видов такого названия не имеют.

Первоначально линнеевская систематика была единственной, и она была основанной на наблюдении сходств и различий организмов. С развитием теории эволюции было выяснено, что эта система довольно точно отражает родословную вида. Но возникает вопрос, при наличии каких сходств можно считать, что у организмов общий предок?

Органы, имеющие одинаковое происхождение, называются гомологичными (например, рука человека и крыло орла).

Другие очень похожие органы могли произойти независимо друг от друга в результате конвергентной эволюции. Например, крыло орла и крыло пчелы являются результатом конвергентной эволюции и выполняют схожие функции (хотя их общий предок вообще не имел крыльев).

Наоборот, в результате дивергенции гомологичные органы могут существенно различаться по строению и функциям. Например, слуховые косточки среднего уха человека гомологичны костям челюсти примитивных рыб, а евстахиева труба - жаберным щелям. В большинстве случаев учёные могут различить истинно гомологичные органы и органы, ставшие похожими в результате конвергенции.

Наиболее точные сведения относительно родства организмов даёт анализ их последовательностей.

Хорошо изучена систематика высших организмов, для которых анализ последовательностей и классические методы сравнительной анатомии, палеонтологии и эмбриологии обычно дают полную картину.

Классификация микроорганизмов более трудна,

✵ отчасти потому, что не очень понятно по каким признакам их классифицировать;

✵ отчасти потому, что происходят интенсивные миграции генов, из-за которых структура генома может не сохраняться постоянной, а всё время изменяться.

Рибосомные РНК (рРНК) являются необходимым компонентом всех организмов.

Основываясь на анализе 16S и 18S рибосомных РНК, Карл Вёзе (Carl Richard Woese) разделил все живые организмы на три империи: бактерии, архей и эукариоты (рисунок 20).

Рисунок 20 - Схема классификации живых организмов

Бактерии и архей - это прокариоты, их клетки не содержат оформленного ядра. Типичные представители бактерий - микроорганизмы, являющиеся причиной многих заболеваний, а также Escherichia coli - главный модельный организм молекулярной биологии. В империю архей входят термофилы, галлофилы, серовосстанавливающие и метанобразующие археобактерии.

Человек относится к эукариотам - организмам, клетки которых содержат ядро. К эукариотам относятся дрожжи, амёбы, инфузории, все многоклеточные организмы и многие другие организмы.

Наиболее изучены геномы бактерий, так как это клинически важно. При этом выяснилось, что их геном относительно прост. Тем не менее, мы можем узнать о нас больше от архей, чем от бактерий. Вопреки очевидным различиям в жизненных формах и отсутствию в клетках архей ядра, они в некотором смысле на молекулярном уровне ближе к эукариотам, чем к бактериям. Похоже, что архей из всех живых организмов, наиболее близки к корню дерева жизни.

Рисунок 20 демонстрирует самый глубокий уровень дерева жизни. Ветвь Еuкаrуа включает в себя животных, растения, грибы и одноклеточные организмы. В вершине ветви Еuкаrуа находятся metazoa (многоклеточные организмы). Филогенетическое дерево metazoa представлено на рисунке 21.

Рисунок 21 - Филогенетическое дерево metazoa (многоклеточных животных)

Группа Bilateria включает в себя всех животных, которые имеют двустороннюю симметрию строения тела. Первичноротые (protostomes) и вторичноротые (ideuterostomes) представляют собой два основных рода, разделившихся на ранней стадии эволюции приблизительно 670 млн. лет назад. Они демонстрируют различные модели эмбрионального развития, включая различные процессы раннего деления клетки, противоположную ориентацию зрелого кишечника в отношении ранней инвагинации бластулы, и происхождение скелета из мезодермы (вторичноротые) или эктодермы (первичноротые).

Первичноротые включают в себя две подгруппы, различающиеся на основании анализа 18S рРНК (из малой рибосомной субъединицы) и так называемых генных последовательностей НОХ (большинство из которых являются гомеозисными генами (НОmeotic complex) - генами, мутации которых приводят к превращению одних частей организма в другие). Морфологически Ecdysozoa имеет линяющие кутикулы - жесткий внешний слой органической материи. Lophotrochozoa имеет мягкое тело.

Человек и наши ближайшие родичи являются вторичноротыми (рисунок 22). Хордовые, включая позвоночных, и иглокожие все являются вторичноротыми.

Рисунок 22 - Филогенетическое дерево дейтростом. Хордовые, включая позвоночных, и иглокожие все являются вторичноротыми