Genetické (cytogenetické) druhové kritérium spolu s dalšími se používá k rozlišení elementárních systematických skupin, k analýze stavu druhu. V tomto článku se budeme zabývat charakteristikami kritéria a také obtížemi, se kterými se může výzkumník při jeho uplatňování setkat.
Co je zobrazení
V různých odvětvích biologických věd je druh definován svým vlastním způsobem. Z evoluční perspektivy můžeme říci, že druh je soubor jedinců, kteří mají podobnosti ve vnější struktuře a vnitřní organizaci, fyziologické a biochemické procesy, jsou schopni neomezeného křížení, zanechávají plodné potomstvo a jsou geneticky izolováni od podobných skupin.
Druh může být zastoupen jednou nebo několika populacemi, a podle toho může mít celý nebo rozčleněný areál (oblasť stanoviště/vodní oblast)
Nomenklatura druhů
Každý druh má své jméno. V souladu s pravidly binární nomenklatury se skládá ze dvou slov: podstatného jména a přídavného jména. Podstatné jméno je druhové jméno a přídavné jméno je konkrétní jméno. Například v názvu "Dandelion officinalis" je druh "officinalis" jedním ze zástupců rostlin rodu "Pampeliška".
Jednotlivci příbuzných druhů v rámci rodu mají určité rozdíly ve vzhledu, fyziologii a ekologických preferencích. Ale pokud jsou si příliš podobní, pak je jejich druhová příslušnost určena genetickým kritériem druhu na základě analýzy karyotypů.
Proč druh potřebuje kritéria
Carl Linné, který jako první dal moderní jména a popsal mnoho druhů živých organismů, je považoval za nezměněné a neproměnné. To znamená, že všichni jedinci odpovídají jednomu druhovému obrazu a jakékoli odchylky od něj jsou chybou ve ztělesnění ideje druhu.
Od první poloviny 19. století Charles Darwin a jeho následovníci prosazovali zcela odlišné pojetí druhu. V souladu s ní je druh proměnlivý, heterogenní a zahrnuje přechodné formy. Stálost druhu je relativní, závisí na proměnlivosti podmínek prostředí. Základní jednotkou existence druhu je populace. Je reprodukčně odlišný a splňuje genetická kritéria daného druhu.
Vzhledem k heterogenitě jedinců stejného druhu může být pro vědce obtížné určit druhy organismů nebo je rozdělit mezi systematické skupiny.
Morfologická a genetická kritéria druhu, biochemická, fyziologická, geografická, ekologická, behaviorální (etologická) – to všekomplexy rozdílů mezi druhy. Určují izolovanost systematických skupin, jejich reprodukční diskrétnost. A mohou být použity k rozlišení jednoho druhu od druhého, ke stanovení stupně jejich vztahu a pozice v biologickém systému.
Charakterizace genetického kritéria druhu
Podstatou tohoto rysu je, že všichni jedinci stejného druhu mají stejný karyotyp.
Karyotyp je druh chromozomálního „pasu“organismu, je určen počtem chromozomů přítomných ve zralých somatických buňkách těla, jejich velikostí a strukturními znaky:
- poměr délky ramene chromozomu;
- poloha centromer v nich;
- přítomnost sekundárních zúžení a satelitů.
Jednotlivci různých druhů se nebudou moci křížit. I když je možné získat potomky, jako u osla a koně, tygra a lva, pak mezidruhoví kříženci nebudou plodní. Je to proto, že poloviny genotypu nejsou stejné a nemůže dojít ke konjugaci mezi chromozomy, takže se netvoří gamety.
Na fotografii: mezek - sterilní kříženec osla a klisny.
Předmět studie – karyotyp
Lidský karyotyp je reprezentován 46 chromozomy. U většiny studovaných druhů spadá počet jednotlivých molekul DNA v jádře, které tvoří chromozomy, do rozmezí 12 až 50. Existují však výjimky. Ovocná muška Drosophila má v jádrech buněk 8 chromozomů a u malého zástupce z čeledi Lepidoptera Lysandra je diploidní chromozomová sada380.
Snímek z elektronového mikroskopu kondenzovaných chromozomů, který umožňuje vyhodnotit jejich tvar a velikost, odráží karyotyp. Analýza karyotypu jako součást studia genetického kritéria, stejně jako srovnání karyotypů mezi sebou, pomáhá určit druhy organismů.
Když jsou dva druhy jeden
Společným rysem kritérií zobrazení je, že nejsou absolutní. To znamená, že použití pouze jednoho z nich nemusí být dostatečné pro přesné určení. Organismy, které jsou od sebe navenek nerozeznatelné, mohou být zástupci různých druhů. Zde morfologické kritérium přichází na pomoc genetickému kritériu. Dvojité příklady:
- Dnes jsou známy dva druhy černých krys, které byly dříve identifikovány jako jeden kvůli jejich vnější identitě.
- Existuje nejméně 15 druhů malarických komárů, které lze rozlišit pouze cytogenetickou analýzou.
- 17 druhů cvrčků nalezených v Severní Americe, kteří jsou geneticky odlišní, ale fenotypově příbuzní stejnému druhu.
- Předpokládá se, že mezi všemi druhy ptáků je 5 % dvojčat, pro jejichž identifikaci je nutné použít genetické kritérium.
- Zmatky v systematice horských tuňáků byly odstraněny díky karyologické analýze. Byly identifikovány tři varianty karyotypů (2n=54 pro muflony, 56 pro argali a argali a 58 chromozomů pro urial).
Jeden druh černé krysy má 42 chromozomů, karyotyp druhého je reprezentován 38 molekulami DNA.
Když jeden pohled je jako dva
Pro skupiny druhů s velkou rozlohou areálu a počtem jedinců, kdy v nich funguje geografická izolace nebo jedinci mají širokou ekologickou valenci, je charakteristická přítomnost jedinců s různými karyotypy. Takový jev je další variantou výjimek v genetickém kritériu druhu.
Příklady chromozomálního a genomového polymorfismu jsou u ryb běžné:
- u pstruha duhového se počet chromozomů pohybuje od 58 do 64;
- dva karyomorfy s 52 a 54 chromozomy nalezené u sledě v Bílém moři;
- s diploidní sadou 50 chromozomů mají zástupci různých populací karasů 100 (tetraploidní), 150 (hexaploidní), 200 (oktaploidní) chromozomů.
Polyploidní formy se vyskytují jak u rostlin (kozí vrba), tak u hmyzu (nosatice). Domácí myši a pískomilové mohou mít různý počet chromozomů, nikoli násobek diploidní sady.
Karyotyp dvojčat
Zástupci různých tříd a typů mohou mít karyotypy se stejným počtem chromozomů. Mezi zástupci stejných čeledí a rodů existuje mnohem více takových náhod:
- Gorily, orangutani a šimpanzi mají karyotyp se 48 chromozomy. Ve vzhledu nejsou rozdíly určeny, zde je potřeba porovnat pořadí nukleotidů.
- Mírné rozdíly v karyotypech severoamerických bizonů a evropských bizonů. Oba mají 60 chromozomů v diploidní sadě. Budou přiřazeny ke stejnému druhu, pokud budou analyzovány pouze podle genetických kritérií.
- Příklady genetických dvojčat lze nalézt také mezi rostlinami, zejména v rodinách. Mezi vrbamije dokonce možné získat mezidruhové hybridy.
Pro odhalení jemných rozdílů v genetickém materiálu u takových druhů je nutné určit sekvenci genů a pořadí, ve kterém jsou zahrnuty.
Vliv mutací na analýzu kritéria
Počet chromozomů karyotypu se může změnit v důsledku genomických mutací – aneuploidie nebo euploidie.
Když se v karyotypu objeví aneuploidie, objeví se jeden nebo více dalších chromozomů a počet chromozomů může být také menší než u plnohodnotného jedince. Důvodem tohoto porušení je nedisjunkce chromozomů ve fázi tvorby gamet.
Na obrázku je příklad lidské aneuploidie (Downův syndrom).
Zygoty se sníženým počtem chromozomů se zpravidla nezačnou drtit. A polysomické organismy (s "nadbytečnými" chromozomy) mohou být životaschopné. V případě trizomie (2n+1) nebo pentasomie (2n+3) bude lichý počet chromozomů indikovat anomálii. Tetrasomie (2n+2) může vést ke skutečné chybě při určování druhu podle genetických kritérií.
| Mutace | Esence mutace | Vliv na genetické kritérium druhu |
| Tetrasomie | V karyotypu je přítomen jeden pár chromozomů navíc nebo dva nehomologické extra chromozomy. | Při analýze pouze podle tohoto kritéria lze organismus klasifikovat jako organismus s jedním párem chromozomů navíc. |
| Tetraploidy | V karyotypuz každého páru jsou čtyři chromozomy místo dvou. | Organizmus lze přiřadit jinému druhu namísto polyploidního kultivaru stejného druhu (v rostlinách). |
Množení karyotypu – polyploidie – může také uvést výzkumníka v omyl, pokud je mutantní karyotyp součtem několika diploidních sad chromozomů.
Složitost kritéria: Nepolapitelná DNA
Průměr vlákna DNA v nezkrouceném stavu je 2 nm. Genetické kritérium určuje karyotyp v období před dělením buněk, kdy tenké molekuly DNA opakovaně spirálovitě (kondenzují) a představují husté tyčinkovité struktury - chromozomy. Průměrná tloušťka chromozomu je 700 nm.
Školní a univerzitní laboratoře jsou většinou vybaveny mikroskopy s malým zvětšením (od 8 do 100), není v nich možné vidět detaily karyotypu. Rozlišovací schopnost světelného mikroskopu navíc umožňuje při jakémkoliv, dokonce i největším zvětšení, vidět předměty, které nejsou menší než polovina délky nejkratší světelné vlny. Nejmenší vlnová délka je pro fialové vlny (400 nm). To znamená, že nejmenší objekt viditelný ve světelném mikroskopu bude od 200 nm.
Ukazuje se, že obarvený dekondenzovaný chromatin bude vypadat jako zakalené oblasti a chromozomy budou viditelné bez detailů. Elektronový mikroskop s rozlišením 0,5 nm umožňuje jasně vidět a porovnávat různé karyotypy. Vzhledem k tloušťce vláknité DNA (2 nm) bude pod takovým zařízením jasně rozlišitelná.
Cytogenetické kritérium ve škole
Z výše popsaných důvodů je použití mikropreparátů v laboratorní práci podle genetického kritéria druhu nevhodné. V úkolech můžete použít fotografie chromozomů získané pod elektronovým mikroskopem. Pro usnadnění práce na fotografii jsou jednotlivé chromozomy spojeny do homologních párů a uspořádány v pořadí. Takové schéma se nazývá karyogram.
Příklad laboratorního úkolu
Úkol. Zvažte uvedené fotografie karyotypů, porovnejte je a udělejte závěr o příslušnosti jedinců k jednomu nebo dvěma druhům.
Fotky karyotypů pro laboratorní srovnání.
Práce na úkolu. Spočítejte celkový počet chromozomů na každé karyotypové fotografii. Pokud se shodují, porovnejte je vzhledem. Pokud karyogram není uveden, najděte na obou snímcích nejkratší a nejdelší mezi chromozomy střední délky, porovnejte je podle velikosti a umístění centromer. Udělejte závěr o rozdílu / podobnosti karyotypů.
Odpovědi na úkol:
- Pokud se počet, velikost a tvar chromozomů shoduje, pak dva jedinci, jejichž genetický materiál je předložen ke studiu, patří ke stejnému druhu.
- Pokud je počet chromozomů dvakrát odlišný a na obou fotografiích jsou chromozomy stejné velikosti a tvaru, pak jsou jedinci s největší pravděpodobností zástupci stejného druhu. Půjde o diploidní a tetraploidní karyotypy.formulář.
- Pokud počet chromozomů není stejný (liší se o jeden nebo dva), ale obecně jsou tvar a velikost chromozomů obou karyotypů stejné, mluvíme o normálních a mutantních formách stejný druh (fenomén aneuploidie).
- S různým počtem chromozomů a také nesouladem ve vlastnostech velikosti a tvaru přiřadí toto kritérium prezentované jedince dvěma různým druhům.
Ve výstupu je nutné uvést, zda je možné určit druh jedinců na základě genetického kritéria (a pouze jeho).
Odpověď: je to nemožné, protože jakékoli druhové kritérium, včetně genetického, má výjimky a může vést k chybnému výsledku určení. Přesnost lze zaručit pouze uplatněním souboru kritérií formuláře.
