Skip to main content
Global

1.2: גישה שיטתית

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    209072

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    אובייקטיבים למידה

    • תאר כיצד מיקרואורגניזמים מסווגים ומובחנים כמינים ייחודיים
    • השווה מערכות טקסונומיה היסטוריות ועכשוויות המשמשות לסיווג מיקרואורגניזמים

    ברגע שחיידקים הפכו גלויים לבני אדם בעזרת מיקרוסקופים, מדענים החלו להבין את המגוון העצום שלהם. מיקרואורגניזמים משתנים בכל מיני דרכים, כולל גודלם, המראה שלהם ושיעורי הרבייה שלהם. כדי לחקור את מערך האורגניזמים החדש והמגוון להפליא הזה, החוקרים היו זקוקים לדרך לארגן אותם באופן שיטתי.

    מדע הטקסונומיה

    טקסונומיה היא סיווג, תיאור, זיהוי ושמות של אורגניזמים חיים. סיווג הוא תרגול של ארגון אורגניזמים לקבוצות שונות על סמך המאפיינים המשותפים שלהם. הטקסונום המוקדם המפורסם ביותר היה בוטנאי, זואולוג ורופא שוודי בשם קרולוס לינאוס (1701—1778). בשנת 1735 פרסם לינאוס Systema Naturae, חוברת בת 11 עמודים בה הציע את הטקסונומיה הלינאית, מערכת של סיווג ושמות של אורגניזמים באמצעות פורמט סטנדרטי כדי שמדענים יוכלו לדון באורגניזמים באמצעות טרמינולוגיה עקבית. הוא המשיך לשנות ולהוסיף לספר, שגדל לכרכים מרובים (איור\(\PageIndex{1}\)).

    ציור של קרולוס לינאוס מחזיק פרח.
    איור\(\PageIndex{1}\): הבוטנאי, הזואולוג והרופא השוודי קרולוס לינאוס פיתח מערכת חדשה לסיווג צמחים ובעלי חיים. בפורטרט זה משנת 1853 מאת הנדריק הולנדר, לינאוס מחזיק בתאום, בשם לינאיה בוריאליס לכבודו.

    בטקסונומיה שלו חילק לינאוס את עולם הטבע לשלוש ממלכות: בעלי חיים, צמחים ומינרלים (ממלכת המינרלים ננטשה מאוחר יותר). בתוך ממלכות החי והצומח, הוא קיבץ אורגניזמים תוך שימוש בהיררכיה של רמות ותת-רמות ספציפיות יותר ויותר על סמך קווי הדמיון שלהם. שמות הרמות בטקסונומיה המקורית של לינאוס היו ממלכה, מעמד, סדר, משפחה, סוג (רבים: סוגים) ומינים. המין היה, וממשיך להיות, היחידה הטקסונומית הספציפית והבסיסית ביותר.

    עצי חיים מתפתחים (פילוגניות)

    עם התקדמות הטכנולוגיה, מדענים אחרים ביצעו בהדרגה חידודים למערכת הלינאית ובסופו של דבר יצרו מערכות חדשות לסיווג אורגניזמים. בשנות ה- 1800 היה עניין גובר בפיתוח טקסונומיות שלקחו בחשבון את מערכות היחסים האבולוציוניות, או הפילוגניות, של כל מיני האורגניזמים השונים על פני כדור הארץ. אחת הדרכים לתאר מערכות יחסים אלה היא באמצעות תרשים הנקרא עץ פילוגנטי (או עץ חיים). בתרשימים אלה, קבוצות של אורגניזמים מסודרות לפי מידת הקשר שלהן. בעצים פילוגנטיים מוקדמים, הקשר בין אורגניזמים הוסק על ידי קווי הדמיון הגלויים שלהם, כגון נוכחות או היעדר שיער או מספר הגפיים. כעת, הניתוח מסובך יותר. כיום, ניתוחים פילוגניים כוללים השוואות גנטיות, ביוכימיות ואמבריולוגיות, כפי שיידון בהמשך פרק זה.

    עץ החיים של לינאוס הכיל רק שני ענפים עיקריים לכל היצורים החיים: ממלכות החיות והצמחים. בשנת 1866 הציע ארנסט האקל, ביולוג, פילוסוף ורופא גרמני, ממלכה נוספת, פרוטיסטה, לאורגניזמים חד-תאיים (איור). \(\PageIndex{2}\) מאוחר יותר הוא הציע ממלכה רביעית, מונרה, לאורגניזמים חד-תאיים שתאיהם חסרים גרעינים, כמו חיידקים.

    ציור של עץ. על בסיס העץ כתוב: רדיקס מונרה. זה מסתעף לשלושה ענפים שכותרתם Plantae, Protista ו- Animalia. כל אחד מהענפים הללו מסתעף הלאה; כל ענף חדש מסומן בטקסט קטן ומזהים אשכולות ענפים. לדוגמה, אשכולות ענפים בפרוטיסטה כוללים: דיאטומאז, פלגלט, פרוטופלסטה וספונגי.
    איור\(\PageIndex{2}\): העיבוד של ארנסט האקל לעץ החיים, מתוך ספרו משנת 1866 מורפולוגיה כללית של אורגניזמים, הכיל שלוש ממלכות: Plantae, Protista ו- Animalia. מאוחר יותר הוא הוסיף ממלכה רביעית, מונרה, לאורגניזמים חד-תאיים חסרי גרעין.

    כמעט 100 שנה מאוחר יותר, בשנת 1969, הציע האקולוג האמריקאי רוברט וויטאקר (1920—1980) להוסיף עוד ממלכה - פטריות - בעץ חייו. העץ של ויטאקר הכיל גם רמת סיווג מעל רמת הממלכה - רמת האימפריה או ממלכת העל - כדי להבחין בין אורגניזמים שיש להם גרעינים הקשורים לממברנה בתאים שלהם (אוקריוטים) לבין אלה שאין להם (פרוקריוטים). האימפריה פרוקריוטה הכילה רק את ממלכת מונרה. האימפריה אוקריוטה הכילה את ארבע הממלכות האחרות: פטריות, פרוטיסטה, פלנטה וחיות. עץ חמש הממלכות של ויטאקר נחשב לפילוגניה הסטנדרטית במשך שנים רבות.

    איור \(\PageIndex{3}\) מראה כיצד עץ החיים השתנה עם הזמן. שים לב כי וירוסים אינם נמצאים באף אחד מהעצים הללו. הסיבה לכך היא שהם אינם מורכבים מתאים ולכן קשה לקבוע היכן הם ישתלבו בעץ חיים.

    ציר זמן זה מתחיל בקרולוס לינאוס שפיתח דרך חדשה לסווג צמחים ובעלי חיים בשנת 1758. התמונה מעל לינאוס מציגה קו מזלג עם ענף אחד שכותרתו צמחים והשני בעלי חיים מסומנים. בשנת 1866 כתב ארנסט האקל מורפולוגיה כללית של אורגניזמים, והציע ארבע ממלכות. התמונה מעל האקל מציגה קו מרכזי כאשר מונרה מסתעפת מהתחתית, פרוטיסטים מסתעפים לאחר מכן, ואז צמחים ולבסוף בעלי חיים. בשנת 1969 הציע רוברט ויטאקר להוסיף ממלכה חמישית - פטריות - לעץ החיים. התמונה מעל Whittaker זהה לזו שמעל האקל אך כוללת ענף נוסף שכותרתו פטריות בין צמחים לבעלי חיים.
    איור\(\PageIndex{3}\): ציר זמן זה מראה כיצד צורת עץ החיים השתנתה במשך מאות שנים. גם כיום, הטקסונומיה של אורגניזמים חיים נבדקת ללא הרף ומעודנת עם התקדמות הטכנולוגיה.

    תרגיל \(\PageIndex{1}\)

    סכם בקצרה כיצד ההבנה המתפתחת שלנו של מיקרואורגניזמים תרמה לשינויים באופן שבו אורגניזמים מסווגים.

    מיקוד קליני: חלק 2

    תרופות אנטיביוטיות תוכננו במיוחד כדי להרוג או לעכב את הצמיחה של חיידקים. אבל אחרי כמה ימים על אנטיביוטיקה, קורה לא מראה סימנים של שיפור. כמו כן, תרביות CSF שלה חזרו מהמעבדה השלילית. מכיוון שחיידקים או פטריות לא בודדו מדגימת CSF של קורה, הרופא שלה פוסל דלקת קרום המוח החיידקית והפטרייתית. דלקת קרום המוח הנגיפית היא עדיין אפשרות.

    עם זאת, קורה מדווחת כעת על כמה תסמינים חדשים ומטרידים. היא מתחילה להתקשות בהליכה. נוקשות השרירים שלה התפשטה מצווארה לשאר גופה, ואיבריה לפעמים מטלטלים באופן לא רצוני. בנוסף, הסימפטומים הקוגניטיביים של קורה מחמירים. בשלב זה, הרופא של קורה הופך מודאג מאוד ומזמין בדיקות נוספות על דגימות CSF.

    תרגיל \(\PageIndex{2}\)

    אילו סוגים של מיקרואורגניזמים יכולים לגרום לתסמינים של קורה?

    תפקיד הגנטיקה בטקסונומיה המודרנית

    העצים של האקל וויטאקר הציגו השערות לגבי הפילוגניה של אורגניזמים שונים המבוססים על מאפיינים הניתנים לצפייה. אבל הופעתה של הגנטיקה המולקולרית בסוף המאה ה-20 חשפה דרכים אחרות לארגן עצים פילוגנטיים. שיטות גנטיות מאפשרות דרך סטנדרטית להשוות את כל האורגניזמים החיים מבלי להסתמך על מאפיינים נצפים שלעתים קרובות יכולים להיות סובייקטיביים. הטקסונומיה המודרנית מסתמכת במידה רבה על השוואת חומצות הגרעין (חומצה דאוקסיריבונוקלאית [DNA] או חומצה ריבונוקלאית [RNA]) או חלבונים מאורגניזמים שונים. ככל שחומצות הגרעין והחלבונים דומים יותר בין שני אורגניזמים, כך הם נחשבים קשורים יותר.

    בשנות השבעים גילה המיקרוביולוג האמריקאי קרל ווס את מה שנראה כ"תיעוד חי "של התפתחות האורגניזמים. הוא ומשתף הפעולה שלו ג'ורג 'פוקס יצרו עץ חיים מבוסס גנטיקה המבוסס על קווי דמיון והבדלים שראו ב-RNA ריבוזומלי קטן (rRNA) של אורגניזמים שונים. תוך כדי כך הם גילו שסוג מסוים של חיידקים, הנקרא ארכבקטריה (המכונה כיום פשוט ארכאה), שונה באופן משמעותי מחיידקים ואיקריוטים אחרים מבחינת רצף ה- rRNA של יחידת משנה קטנה. כדי להתאים להבדל זה, הם יצרו עץ עם שלושה תחומים מעל רמת הממלכה: ארכאה, חיידקים ואוקריה (איור). \(\PageIndex{4}\) ניתוח גנטי של יחידת המשנה הקטנה rRNA מצביע על כך שארכיאה, חיידקים ואיקריוטים התפתחו כולם מסוג תא אבות משותף. העץ מוטה כדי להראות קשר אבולוציוני הדוק יותר בין ארכאה לאוקריה ממה שיש להם לחיידקים.

    עץ החיים הפילוגנטי. ציור של קווי הסתעפות. הקו המרכזי בתחתית מסתעף לשני ענפים עיקריים. על הענף השמאלי נמצאת קבוצת החיידקים. הענף מימין מתחלק לקבוצות Archaea ו- Eukarya. סניפים נוספים בקבוצת Eukarya מלמטה למעלה הם: דיפלומונדות, מיקרוספורידיה, טריכומונדס, פלגלטים, אנטמבה, תבניות חיוך, Ciliates, צמחים, פטריות ובעלי חיים (שיש לו כוכב שכותרתו "אתה כאן). ברנסים לאורך קבוצת ארכאה מלמטה למעלה הם: פירודיקטיקו, תרמופרוטאוס, ט 'סלר, מתנוקוקוס, מתנובקטריום, מתנוסארצ'ינה והלופילים. הענפים בקבוצת החיידקים מלמטה למעלה הם: אקוויפקס, תרמוטוגה, חיידקים חוטיים ירוקים, בקטריואידים ציטופאגה, גראם חיובי, פלנקטומיס, ציאנובקטריה, פרוטאובקטריה וספירוצ'רס.
    איור\(\PageIndex{4}\): מדענים ממשיכים להשתמש בניתוח של RNA, DNA וחלבונים כדי לקבוע כיצד אורגניזמים קשורים. תגלית מעניינת ומסבכת אחת היא של העברת גנים אופקית - כאשר גן ממין אחד נספג בגנום של אורגניזם אחר. העברת גנים אופקית נפוצה במיוחד במיקרואורגניזמים ועלולה להקשות על קביעה כיצד אורגניזמים קשורים אבולוציונית. כתוצאה מכך, כמה מדענים חושבים כעת במונחים של "קורי חיים" ולא "עצי חיים".

    תרגיל \(\PageIndex{3}\)

    1. בטקסונומיה המודרנית, כיצד קובעים מדענים עד כמה שני אורגניזמים קשורים זה לזה?
    2. הסבירו מדוע הענפים על "עץ החיים" מקורם כולם ב"גזע "יחיד.

    מתן שמות לחיידקים

    בפיתוח הטקסונומיה שלו, לינאוס השתמש במערכת של מינוח בינומי, מערכת שמות של שתי מילים לזיהוי אורגניזמים לפי סוג ומינים. לדוגמה, בני אדם מודרניים נמצאים בסוג Homo ויש להם את שם המין sapiens, ולכן שמם המדעי במינוח הבינומי הוא Homo sapiens. במינוח הבינומי, חלק הסוג של השם תמיד באותיות רישיות; אחריו מופיע שם המין, שאינו באותיות רישיות. שני השמות נטויים.

    שמות טקסונומיים במאות ה -18 עד ה -20 נגזרו בדרך כלל מלטינית, מכיוון שזו הייתה השפה הנפוצה בה השתמשו מדענים כאשר נוצרו מערכות טקסונומיות לראשונה. כיום ניתן לתת לאורגניזמים שזה עתה התגלו שמות שמקורם בלטינית, יוונית או אנגלית. לפעמים שמות אלה משקפים תכונה ייחודית כלשהי של האורגניזם; במקרים אחרים, מיקרואורגניזמים נקראים על שם המדענים שגילו אותם. הארכיאון Haloquadratum walsbyi הוא דוגמה לשתי תוכניות השמות הללו. הסוג, Haloquadratum, מתאר את בית הגידול של מי המלח של המיקרואורגניזם (הילה נגזרת מהמילה היוונית "מלח") וכן את סידור התאים המרובעים שלו, המסודרים באשכולות מרובעים של ארבעה תאים (quadratum הוא בלטינית עבור "foursquare"). המין, וולסבי, נקרא על שמו של אנתוני אדוארד וולסבי, המיקרוביולוג שגילה את Haloquadratum walsbyi בשנת 1980. למרות שזה אולי נראה קל יותר לתת לאורגניזם שם תיאורי נפוץ-כמו נקר אדום-אנו יכולים לדמיין כיצד זה עלול להפוך לבעייתי. מה קורה כאשר מתגלה מין אחר של נקר עם צבע ראש אדום? המינוח השיטתי שמדענים משתמשים בו מבטל את הבעיה הפוטנציאלית הזו על ידי הקצאת כל אורגניזם לשם יחיד וייחודי בן שתי מילים המוכר על ידי מדענים בכל רחבי העולם.

    בטקסט זה, בדרך כלל נקצר את הסוג והמין של האורגניזם לאחר אזכורו הראשון. הצורה המקוצרת היא פשוט ההתחלה הראשונה של הסוג, ואחריה תקופה ושמו המלא של המין. לדוגמה, החיידק Escherichia coli מתקצר ל - E. coli בצורתו המקוצרת. אתה תיתקל באותה מוסכמה גם בטקסטים מדעיים אחרים.

    המדריכים של ברגי

    בין אם בעץ או ברשת, חיידקים יכולים להיות קשים לזיהוי ולסיווג. ללא תכונות מקרוסקופיות הניתנות לצפייה בקלות כמו נוצות, רגליים או פרווה, מדענים חייבים ללכוד, לגדול ולתכנן דרכים לחקור את התכונות הביוכימיות שלהם כדי להבדיל ולסווג חיידקים. למרות המכשולים הללו, קבוצה של מיקרוביולוגים יצרה ועדכנה מערך מדריכים לזיהוי וסיווג מיקרואורגניזמים. פורסם לראשונה בשנת 1923 ומאז עודכן פעמים רבות, המדריך של ברגי לבקטריולוגיה דטרמינטיבית ו מדריך לבקטריולוגיה שיטתית של ברגי הם הפניות הסטנדרטיות לזיהוי וסיווג פרוקריוטים שונים. (נספח ד' לספר לימוד זה מבוסס בחלקו על המדריכים של ברגי; הוא מראה כיצד מסווגים האורגניזמים המופיעים בספר לימוד זה.) מכיוון שכל כך הרבה חיידקים נראים זהים, יש להשתמש בשיטות המבוססות על מאפיינים לא חזותיים כדי לזהות אותם. לדוגמה, ניתן להשתמש בבדיקות ביוכימיות לזיהוי כימיקלים ייחודיים למינים מסוימים. כמו כן, ניתן להשתמש בבדיקות סרולוגיות לזיהוי נוגדנים ספציפיים שיגיבו כנגד החלבונים המצויים במינים מסוימים. בסופו של דבר, ניתן להשתמש ברצף DNA ו-rRNA הן לזיהוי מין חיידקי מסוים והן לסיווג מינים שהתגלו לאחרונה.

    תרגיל \(\PageIndex{4}\)

    • מהי המינוח הבינומי ומדוע הוא כלי שימושי למתן שמות לאורגניזמים?
    • הסבר מדוע משאב כמו אחד מהמדריכים של ברגי יעזור בזיהוי מיקרואורגניזם במדגם.

    אותו שם, זן שונה

    בתוך מין אחד של מיקרואורגניזם, יכולים להיות מספר תת-סוגים הנקראים זנים. בעוד שזנים שונים עשויים להיות כמעט זהים מבחינה גנטית, הם יכולים להיות בעלי תכונות שונות מאוד. החיידק Escherichia coli ידוע לשמצה בגרימת הרעלת מזון ושלשול של מטיילים. עם זאת, ישנם למעשה זנים רבים ושונים של אי - קולי, והם משתנים ביכולתם לגרום למחלות.

    זן E. coli פתוגני אחד (גורם למחלות) שאולי שמעת עליו הוא E. coli O157:H7. בבני אדם, זיהום מ - E. coli O157:H7 יכול לגרום להתכווצויות בטן ושלשולים. הזיהום נובע בדרך כלל ממים או מזון מזוהמים, במיוחד ירקות גולמיים ובשר לא מבושל. בשנות התשעים היו כמה התפרצויות גדולות של E. coli O157: H7 שחשבו שמקורם בהמבורגרים לא מבושלים.

    בעוד E. coli O157:H7 וכמה זנים אחרים העניקו ל - E. coli שם רע, רוב זני ה- E. coli אינם גורמים למחלות. למעשה, חלקם יכולים להועיל. זנים שונים של E. coli המצויים באופן טבעי במעיים שלנו עוזרים לנו לעכל את המזון שלנו, לספק לנו כמה כימיקלים נחוצים ולהילחם נגד חיידקים פתוגניים.

    סיכום

    • קרולוס לינאוס פיתח מערכת טקסונומית לסיווג אורגניזמים לקבוצות קשורות.
    • המינוח הבינומי מקצה לאורגניזמים שמות מדעיים לטיניים עם ייעוד סוג ומינים.
    • עץ פילוגנטי הוא דרך להראות כיצד אורגניזמים שונים נחשבים קשורים זה לזה מבחינה אבולוציונית.
    • העץ הפילוגנטי הראשון הכיל ממלכות לצמחים ובעלי חיים; ארנסט האקל הציע להוסיף ממלכה לפרוטיסטים.
    • העץ של רוברט וויטאקר הכיל חמש ממלכות: Animalia, Plantae, פרוטיסטה, פטריות ומונרה.
    • קרל ווס השתמש ב- RNA ריבוזומלי קטן של יחידת משנה כדי ליצור עץ פילוגנטי המקבץ אורגניזמים לשלושה תחומים על סמך הדמיון הגנטי שלהם.
    • המדריכים של ברגי לבקטריולוגיה דטרמינטיבית ומערכתית הם הפניות הסטנדרטיות לזיהוי וסיווג חיידקים, בהתאמה.
    • ניתן לזהות חיידקים באמצעות בדיקות ביוכימיות, ניתוח DNA/RNA ושיטות בדיקה סרולוגיות.

    רשימת מילים

    המינוח הבינומי
    מוסכמה אוניברסלית למתן שמות מדעיים של אורגניזמים תוך שימוש בשמות לטיניים לסוג ולמינים
    אוקריוט
    אורגניזם המורכב מתא אחד או יותר המכילים גרעין ואברונים הקשורים לממברנה
    פילוגניה
    ההיסטוריה האבולוציונית של קבוצת אורגניזמים
    פרוקריוט
    אורגניזם שמבנה התא שלו אינו כולל גרעין קשור לממברנה
    טקסונומיה
    הסיווג, התיאור, הזיהוי והשמות של אורגניזמים חיים