Oppimateriaali tuotettu lukion biologian 1. kurssia varten. Oppimateriaali on osa Johdatus biologian opiskeluun kurssia.

Tekijät: Laksela Paula, Ranki Jukka-Pekka, Sirviö Markus

Eliökunnan luokittelu

Ihmiset luokittelevat monia asioita. Luokittelu perustuu yhtäläisyyksiin ja samankaltaisuuksiin, esimerkiksi kirjallisuudessa on fantasiakirjallisuutta, tietokirjallisuutta, rikosromaaneita jne.. Myös eliöitä luokitellaan niiden samankaltaisuuksien mukaan. Satoja vuosia sitten eliöiden luokittelu perustui rakenteiden vertailuun, mutta kehittynyt tekniikka on mullistanut luokittelun, kun esimerkiksi eliöiden DNA:n vertailu on tullut mahdolliseksi.

Eliöitä luokitellaan

Fylogenetiikka selvittää eliöryhmien ja lajien kehityshistoriaa. Systematiikka tutkii eliöiden luokittelua ja selvittää niiden kehityshistoriallisia suhteita mm. fossiilien ja geenien avulla hyödyntäen esimerkiksi morfologiaa ja molekyylibiologian menetelmiä. Taksonomia liittyy eliöiden luokitteluun ja nimeämisjärjestelmään. Evoluutiopuun eli fylogeneettisen puun avulla voidaan kuvata eliöryhmien kehityshistoriaa visuaalisesti puumaisella rakenteella, jossa kehityslinjat kulkevat puun juuresta oksien kautta lehtiin. Puun runko edustaa varhaisimpia ja lehdet viimeisimpiä kehityshistoriallisia tapahtumia. Haaraumat oksiksi kuvaavat kehityslinjojen erkaantumista ja läheisten eliöryhmien (ns. sisartaksonien) polveutumista yhteisestä esivanhemmasta.

Fylogeneettiset puut pohjautuvat oletukselle, että geenit siirtyvät eliösukupolvelta seuraavalle vertikaalisesti eli suvuttomasti tai suvullisesti lisääntymällä. Kuitenkin eliöiden välillä tapahtuu myös horisontaalista geenisiirtoa, jossa solu saa geneettistä materiaalia ympäristöstä esimerkiksi viruksien välityksellä. Esimerkkejä muinaisista horisontaalisista geenisiirtymistä ovat nykyisten aitotumaisten mitokondriot ja kasvien viherhiukkaset eli kloroplastit. Fylogeneettiset puut ovatkin pikemminkin arvioita kuin täydellisiä kuvauksia eliöiden kehityshistoriasta.

Luokittelun tasot: domeenit ja kunnat   

Ihminen on luokitellut eliöitä eri aikoina eri tavoin. Nykyään eliöt luokitellaan solurakenteensa perusteella kahteen pääryhmään: esi- ja aitotumaisiin eliöihin. Esitumaiset eli tumattomat eliöt ovat yksisoluisia ja rakenteeltaan aitotumaisia yksinkertaisempia. Niiden perintöaines sijaitsee solulimassa. Esitumaiset solut ovat hyvin pieniä kooltaan ja soluissa on vain vähän erilaisia soluelimiä. Ne lisääntyvät jakautumalla kahtia, mikä tarkoittaa suvutonta lisääntymistä. Esitumallisiin eliöihin kuuluvat bakteerit ja arkeonit (arkit).

Aitotumaisiin eli tumallisiin eliöihin kuuluvat alkueliöt eli protistit, kasvit, sienet ja eläimet. Aitotumallisten eliöiden solut ovat kooltaan paljon suurempia kuin esitumallisten eliöiden solut. Niiden perintötekijät sijaitsevat tumakotelon sisällä tumassa ja lisäksi soluissa on paljon erilaisia kalvon ympäröimiä soluelimiä.

Kolme domeenia:

Eliöt on jaettu kolmeen domeeniin eli superkuntaan 1990-luvulta alkaen: 1) bakteereihin, 2) arkeoneihin ja 3) aitotumaisiin. Bakteerit ja arkeonit kuuluvat esitumallisiin eliöihin. Tätä jakoa on perusteltu geeni- ja molekyylitutkimusten perusteella, sillä arkeonit muistuttavat tutkimusten perusteella enemmän aitotumallisia kuin bakteereita.

Kuusi kuntaa:

Eliöt jaetaan perinteisesti kuuteen kuntaan: 1) bakteereihin, 2) arkeoneihin, 3) alkueliöihin eli protisteihin, 4) kasveihin, 5) sieniin ja 6) eläimiin. Alkueliöiden kunta sisältää kaikki ne aitotumalliset eliöt, joita ei ole osattu tai voitu sijoittaa kasvi-, sieni- tai eläinkuntaan. Tämän takia alkueliöiden kunta muodostaa hyvin sekalaisen joukon erilaisia eliöitä. Alkueliöiden kunta tullaan tulevaisuudessa todennäköisesti jakamaan pienemmiksi kunniksi nykyisen tutkimuksen edetessä.

 

 

 

Domeenien käyttö luokittelussa kuvaa paremmin eliöiden välisiä sukulaisuussuhteita ja kehityshistoriaa kuin jako pelkästään kuuteen kuntaan. Erot bakteerien ja arkeonien evolutiivisten sukulaisuussuhteiden välillä ovat suurempia kuin erot aitotumallisiin kuuluvien sienten, kasvien ja eläinten välillä. Tämän takia luokittelu kolmeen domeeniin on perusteltua.

Eliökunnan luokittelu on muuttunut uusien tutkimusten myötä ja tulee yhä muuttumaan. Linné esimerkiksi luokitteli eliöt ainoastaan kahteen pääryhmään: kasvi- ja eläinkuntaan. Myöhemmin esimerkiksi arkeonit erotettiin bakteereista ja sienet erilleen kasveista omaksi kunnaksi. Eliökunnan luokittelu muuttuu tulevaisuudessa lajien sukulaisuussuhteiden selvitessä tarkemmin, joten tämänhetkinen luokittelu kuntiin ei ole koko totuus. Domeeneihin luokittelua käytettään nykyään tieteessä ja jakoa kuuteen kuntaan koulubiologiassa. Eliökunnan luokittelussa ei ole kuitenkaan vain yhtä oikeaa tapaa luokitella.

 

Virukset eivät kuulu eliökuntaan

Virukset jätetään eliökunnan luokittelun ulkopuolelle, sillä niitä ei pidetä eliöinä. Viruksilla ei ole omaa aineenvaihduntaa eikä selvää solurakennetta. Rakenteeltaan ne ovat hyvin yksinkertaisia ja kooltaan bakteereja paljon pienempiä. Virukset koostuvat geeneistä eli perintötekijöistä ja proteiinimolekyyleistä, jotka ympäröivät geenejä.

Virukset eivät pysty lisääntymään itsenäisesti eli ne ovat eliöiden loisia. Virukset ovat riippuvaisia isäntäeliöistä, koska niiden lisääntyminen vaatii elävän solun sisälle pääsyä. Kaikilla eliöryhmillä on omat viruksensa ja yleensä virukset ovat erikoistuneet tietynlaiseen isäntäeliöön. Useat virukset aiheuttavat isännälleen tauteja, kuten influenssaa tai aidsia. Isäntäeliöön päästyään virukset ottavat isäntäsolun valtaansa ja laittavat sen tuottaman uusia viruksia. Virukset ovat vaikuttaneet osaltaan eliöiden evoluutioon, sillä tunkeutuessaan soluihin ne liittävät isäntäsolun DNA:han myös omia geenejään.

Luokittelun tasot

Ihmiset luokittelevat eliöitä niiden ominaisuuksien mukaan, aivan kuten luokittelua käytetään monessa muussakin, esimerkiksi urheilussa (joukkue- ja yksilölajit). Lajin määritelmänä pidetään sitä, että eliöt pystyvät lisääntymään keskenään ja saavat lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä, joista käytetään myös termiä fertiili. Toki poikkeuksiakin löytyy, esimerkiksi korpin ja teerin risteymä korpimetso kykenee lisääntymään, mutta metso ja teeri ovat eri lajeja.

Saman lajin yksilöiden ominaisuudet ja perimä ovat samankaltaisia. Lajit, joilla samankaltaisia ominaisuuksia on paljon, kuuluvat samaan sukuun. Samankaltaiset suvut muodostavat heimoja. Heimot muodostavat lahkoja, lahkot muodostavat luokkia, luokat taas eläimissä pääjaksoja ja kasveissa kaaria. Kaarista ylempi luokka on kunta, joka jaetaan kuuteen osaan: arkeonit, bakteerit, alkueliöt, sienet, kasvi- ja eläinkunta. Kuntien lisäksi eliöt voidaan jakaa kolmeen domeeniin: aitotumaiset, bakteerit ja arkeoneihin. Luokittelu kehittyy jatkuvasti vielä tänäkin päivänä. 1900-luvun alussa eliöt jaettiin vain kahteen kuntaan: kasvi- ja eläinkunta, mutta tiedon lisääntyessä kuntien määrä on noussut kuuteen.

Yhteisten ominaisuuksien määrä vähenee, mitä suurempiin luokittelutasoihin siirrytään. Vielä luokkatasollakin luokittelu on melko yleispiirteistä. Toisaalta lähisukulajit voivat risteytyä keskenään, kuten aiemmin mainittu metso ja teeri. Aasi ja hevonenkin voivat risteytyä, mutta niiden jälkeläinen ei ole fertiili, vaan lisääntymiskyvytön steriili(muuli). Samankaltaisia ominaisuuksia löytyy melko paljon myös heimotasolla, esimerkiksi kissaeläinten heimoon kuuluvilla kissoilla ja tiikereillä.

Tieteellisen luokittlujärjestelmän kahdeksan osaa, esimerkkilajina susi.

 

Eliöille on tieteelliset nimet   

Ruotsalainen luonnontieteilijä Carl von Linnén kehitti 1700-luvulla eliöiden luokittelujärjestelmän, jonka avulla eliöitä voidaan luokitella loogisesti. Linnén luoma järjestelmä on hierarkinen, jonka ylin taso on domeeni ja alin eli suppein taso on laji. Linné antoi lajeille tieteellisiä nimiä, jotka korvasivat pitkät lajien kuvailut. Tieteellinen lajinimi koostuu kahdesta osasta, ja luokittelun kieli pohjautuu latinasta. Yhteisen luokittelukielen tarkoituksena on, että eri kansalaisuuksien tutkijoiden on helppo ymmärtää toisiaan, kun lajeille on yhteinen tieteellinen kieli ja nimeämistapa. Eliöiden nimeämisessä pyritään kuvaamaan lajia tai antamaan tietoa sen ulkomuodosta, elintavoista tai elinympäristöstä.

Tieteelliset nimet ovat siis kaksiosaisia. Ensimmäisestä osasta käy ilmi mihin isompaan ryhmään eli sukuun laji kuuluu. Loppuosa määrittää lajin itsenäiseksi yksilöksi. Esimerkiksi suden latinankielinen nimi on Canis lupus, jossa alkuosa Canis yhdistää suden koirien sukuun. Loppuosa lupus on suden lajispesifinen osa. Tieteellisen nimet kirjoitetaan kursiivilla, ja suvun osa isolla alkukirjaimella, loppuosa pienellä.

Alla on esimerkkejä lokkien nimeämisestä. Huomaa, että lokkien tieteellisen nimen alkuosa on sama eli lajit kuuluvat samaan sukuun. Loppuosa lokeilla on eri.

• Larus marinus, merilokki
• Larus canus, kalalokki
• Larus fuscus, selkälokki
• Larus argentatus, harmaalokki

Selkälokki Larus fuscus (alhaalla) ja harmaalokki Larus argentatus (ylhäällä) kuuluvat lokkien sukuun

Luokittelussa käytettäviä keinoja

1700-luvulla Linnén luokitteli lajeja lähinnä ulkonäön perusteella. Hän vertaili lajien rakenteita ja niiden samankaltaisuuksia. Jos eläimissä oli samankaltaisia rakenteita, hän oletti, että lajit ovat sukua toisilleen. Mitä lähempää sukua lajit ovat, sitä myöhemmin ne ovat erkaantuneet omiksi lajeikseen. Nykyisin teknologia on mullistanut luokittelun.  Luokittelussa vertaillaan eroja perimässä, solurakenteissa sekä eliöiden biokemiassa. DNA:n vertailu onkin osoittautunut erinomaiseksi välineeksi sukulaisuussuhteiden selvityksessä: mitä vähemmän eroa on kahden lajin DNA:ssa, sitä läheisempää sukua ne ovat toisilleen. Esimerkiksi ihmisen ja simpanssin perimästä reilu 98% on samankaltaista. Perimä voi vaikuttaa esimerkiksi eläinten käyttäytymiseen, jolloin käyttäytymistäkin voidaan hyödyntää eläinten luokittelussa. Näitä perittyjä käyttäytymisiä voivat olla mm. reviirikäyttäytyminen tai soidinmenot.

Luokittelussa hyödynnetään vieläkin eliöiden rakenteita, joilla on sama evolutiivinen alkuperä (kantamuoto). Näitä rakenteita kutsutaan homologisiksi (samasyntyinen) rakenteiksi tai elimiksi. Esimerkiksi ihmisen, koiran, valaan ja linnun raajojen/siipien rakenne on samanlainen, vaikka käyttötarkoitukset ovat erilaisia. Samankaltaisilla rakenteilla voi kuitenkin olla erilainen kehityshistoriallinen alkuperä. Esimerkiksi lintujen ja perhosten siivet eivät ole homologisia rakenteita, vaikka niillä onkin sama tehtävä. Tällaisia rakenteita kutsutaan analogisiksi (samatoiminen) rakenteiksi, ja ne ovat kehittyneet samantapaisiksi ympäristösopeutumien seurauksena.

DNA:n ja rakenteiden vertailun lisäksi voidaan sukulaissuhteita selvittää mm. yksilönkehityksiä vertailemalla ja vertailemalla kromosomimääriä. Selkärankaisten alkiot muistuttavat alkuvaiheissa toisiaan, koska niillä on sama alkuperä. Yksilönkehityksen edetessä erot eri lajien alkioiden välillä alkavat kasvamaan. Lajeilla on yleensä lajityypillinen kromosomimäärä. Esimerkiksi simpanssien kromosomimäärä on 48 ja ihmisten 46.

                         Kehittyneen teknologian myötä käsitys lajien ja eliöryhmien sukulaisuussuhteista tulee tarkentumaan ja muuttumaan. Menetelmien avulla karhujen sukupuuta on pystytty tarkentamaan.  Ollaan löydetty, että jättiläispanda kuuluu karhujen heimoon, kun taas pikkupanda kuuluu puolikarhuihin.

 

 

Tehtävät:

1. Selitä seuraavat termit

a) Aitotumainen

b) Homologinen rakenne

c) Arkeonit

d) Protisti

e) Tieteellinen nimi

Tehvätä 2

2.  Mitä eroa on esi- ja aitotumaisilla eliöillä? Entä mitä kuntia näihin ryhmiin kuuluu?
3.  Mitä eroa on kasveilla ja sienillä? Onko näillä kunnilla jotain yhteistä?
4.  Mitä eroa on bakteereilla ja arkeoneilla? Onko näillä kunnilla jotain yhteistä?
5.  Mitä eroa on kasveilla ja eläimillä? Onko näillä kunnilla jotain yhteistä?
6.  Mikä ryhmä jätetään eliökunnan luokittelun ulkopuolelle ja mistä tämä johtuu?

Tehtävä 3
Mihin kuntaan seuraavat eliöt kuuluvat: ameba, malarialoisio, kultapiisku, meritähti, isohapero, järvisieni, paranvoi, rikkikääpä, sinisimpukka, korvameduusa, tohvelieläin, känsätuhkelo, rakkolevä, streptokokki, syanobakteerit, sinivuokko, metanogeeni, metsäkastikka, leivinhiiva, mykoplasma?

Tehtävä 4

Tässä tehtävässä voit etsiä lisätietoa oppikirjoista tai netistä.

Biologian ylioppilaskoe kevät 2017

Tehtävä 9.

Kosteikot, esimerkiksi suot, lähteiköt ja rannat, ovat tärkeitä monimuotoisuuden eli biodiversiteetin ylläpitämisessä Suomen luonnossa. Monimuotoisuutta tarkastellaan usein kolmella tasolla: ekosysteemien monimuotoisuus, lajiston monimuotoisuus ja geneettinen monimuotoisuus. Mikä merkitys kosteikoilla on monimuotoisuuden ylläpitämisessä näillä kolmella tasolla?

 

 

Mallivastaukset:

Tehtävä 1

a) Tumalliset eliöt. Alkueliöt, kasvit, sienet, eläimet. Solu esitumallisia suurempi. Perintötekijät ovat tumassa, paljon soluelimiä

b) Samansyntyinen rakenne. Eliöiden rakenteita, joilla sama evolutiivinen alkuperä (kantamuoto). Esimerkiksi monien selkärankaiset luusto (olkaluu, kyynärluu, värttinäluu, ranteen luut, sormiluut). Homologisilla rakenteilla voi olla eri eliöillä eri käyttötarkoitus.

c)Mikroskoopisen pieniä, tumattomia, yksisoluisia. Lisääntyvät suvuttomasti, on sekä omavaraisia, että toisen varaisia.

d) Tumallisia, yksi tai moni soluisia. Alkueläimet ja limasienet toisenvaraisia, levät omavaraisia. Protisteihin kuuluu myös tauteja aiheuttavia loisia.

e) Kehitti Carl von Linné 1700 luvulla. Latinan kielinen, helpottaa kommunikointia; yhteinen kieli lajeille. Ensimmäinen osa kertoo lajin suvun, jälkimäinen osa on ”lajin oma”, joka kuvaa jotenkin lajia (ulkomuoto, elintavat, elinympäristö)

Tehtävä 2

a) Esitumaiset eli tumattomat eliöt ovat yksisoluisia ja rakenteeltaan paljon aitotumaisia yksinkertaisempia. Kooltaan esitumaiset eliöt ovat hyvin pieniä ja soluissa on vain vähän erilaisia soluelimiä. Aitotumaisten eliöiden solut ovat puolestaan paljon suurempia kuin esitumaisten eliöiden solut ja ne voivat olla yksi- tai monisoluisia. Niiden perintötekijät sijaitsevat tumakotelon sisällä tumassa ja lisäksi soluissa on paljon erilaisia kalvon ympäröimiä soluelimiä. Esitumaisten eliöiden perintoaines (geenit) sijaitsee puolestaan solulimassa. Esitumaiset eliöt lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla kahtia, kun taas aitotumaiset eliöt lisääntyvät suvuttomasti tai suvullisesti. Esitumaisiin eliöihin kuuluvat bakteerit ja arkeonit. Aitotumaisiin kuuluvat alkueliöt eli protistit, kasvit, sienet, ja eläimet.

b) Sekä kasvit että sienet ovat tumallisia eli kuuluvat aitotumaisiin eliöihin. Kasvit ovat monisoluisia ja sienet puolestaan yksi- tai monisoluisia. Molemmat pystyvät lisääntymään sekä suvullisesti että suvuttomasti. Sienet lisääntyvät itiöiden avulla. Kasveihin kuuluu sekä itiökasveja (sanikkaiset, sammalet) että siemenkasveja (koppi- ja paljassiemeniset). Kasveista suurin osa on omavaraisia (fotosynteesi), sienet puolestaan ovat toisenvaraisia (loisia, hajottajia). Molemmilla on soluissa soluseinä, kasveilla se koostuu selluloosasta ja sienillä kitiinistä. Sienet muodostavat sienirihmastoja ja maan päällä näkyvää osaa kutsutaan itiöemäksi. Kasveilla ja sienillä voi olla molempia osapuolia hyödyttävä suhde (sienijuuri). Sienet voivat muodostaa tällaisen suhteen myös levän kanssa (jäkälä). Kasveilla on lisäksi kasvihormoneja säätelemässä elintoimintoja.

c) Bakteerit ja arkeonit kuuluvat molemmat esitumaisiin eliöihin eli ne ovat tumattomia ja yksisoluisia. Molemmat ovat myös mikroskooppisen pieniä, kuuluvat maapallon vanhimpiin eliöihin ja selviävät vaativissa olosuhteissa. Sekä bakteerit että arkeonit lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla kahtia. Arkeonien geenien toiminta on samankaltaista kuin aitotumaisilla eliöillä, joten ne ovat läheisempää sukua aitotumaisille eliöille kuin bakteereille. Molemmilla on soluissa soluseinä, mutta niiden rakenne on erilainen. Sekä bakteerit että arkeonit ovat toisenvaraisia tai omavaraisia (fotosynteesi, kemosynteesi). Molemmat voivat toisenvaraisina olla esimerkiksi hajottajia. Bakteerit voivat elää molempia osapuolia hyödyttävässä suhteessa aitotumaisten eliöiden kanssa. Esimerkiksi ihmisen suolistossa elää paljon hyödyllisiä bakteereja. Bakteereihin kuuluu hajottajien lisäksi erilaisia taudinaiheuttajia ja loisia. Arkeonien ei tiedetä aiheuttavan tauteja.

d) Sekä kasvit että eläimet ovat monisoluisia ja aitotumaisia eliöitä. Kasveilla on soluissa soluseinä (selluloosaa), mutta eläimiltä soluseinä puuttuu kokonaan. Eläimet ovat toisenvaraisia, kun taas kasvit omavaraisia (fotosynteesi). Kasvit pystyvät lisääntymään sekä suvuttomasti että suvullisesti, mutta eläimet lisääntyvät yleensä vain suvullisesti. Kasveilla elintoimintoja säädellään kemiallisesti kasvihormonien avulla, mutta varsinainen hermosto niiltä puuttuu. Eläimet säätelevät elintoimintojaan puolestaan hormonien ja hermoston avulla.

e) Eliökunnan luokittelun ulkopuolelle jäävät virukset, koska niitä ei pidetä ollenkaan eliöinä. Viruksilta puuttuu oma aineenvaihdunta eikä niillä ole selvää solurakennetta. Rakenteeltaan virukset ovat hyvin yksinkertaisia ja kooltaan jopa bakteereja pienempiä.  Virukset koostuvat geeneistä eli perintötekijöistä ja proteiinimolekyyleistä, jotka ympäröivät geenejä. Ne eivät pysty lisääntymään itsenäisesti eli ovat eliöiden loisia ja riippuvaisia isäntäeliöstä.

 

Tehtävä 3

Bakteerit: streptokokki, syanobakteerit, mykoplasma

Arkonit: metanogeeni

Alkueliöt: ameba, malarialoisio, paranvoi, tohvelieläin, rakkolevä

Kasvit: kultapiisku, sinivuokko, metsäkastikka

Sienet: isohapero, rikkikääpä, känsätuhkelo, leivinhiiva

Eläimet: meritähti, järvisieni, sinisimpukka, korvameduusa

Tehtävä 4.

Mallivastaus löytyy Ylioppilastutkintolautakunnan hyvän vastauksen piirteet, biologia, kevät 2017 pdf-tiedostosta tehtävän 9 kohdalta. https://drive.google.com/file/d/0Bw3oPkjh-TYLSHl3VlNNNUM3dVE/view