1. Organismide mitmekesisus
Urmas Kõljalg
Bakterid (Tiina Alamäe)
Protistid (Kalle Olli)
Seened (Urmas Kõljalg)
Taimed (Arne Sellin)
Loomad (Mati Martin)

2. Organismide mitmekesisus
Bioloogiline mitmekesisus

3. Peamised küsimused millele BM vastuseid otsib on:
Kuidas BM on tekkinud?
Kus ta esineb?
Miks on BM tähtis e. vajalik?
Mida tuleks BM säilitamiseks teha?

4. BM elemendid Ökoloogiline mitmek. Geneetiline mitmek.
Organismide mitmek.
Riik
Hõimkond
Bioom
Selts
Ökosüsteem
Sugukond
Perekond
Kooslus
Liik
Populatsioon
Indiviid
Geen
Nukleotiid

5. Põhiõpik (protistid, taimed ja seened):
Raven et al., Biology of plants. W.H. Freeman and Company.
Sissejuhatuseks (viirused, bakterid, protistid ja seened):
T. Alamäe jt Bioloogia gümnaasiumile. II. Loodusfoto, Tartu.

6. * Bioloogiat võimalik jagada erinevateks distsipliinideks
lähtudes organismirühmadest või käsitlusviisi järgi.
Organism: Käsitlusviis:
Zooloogia (Entomoloogia) Biosüstemaatika
Botaanika (Algoloogia) Evolutsiooniõpetus
Mükoloogia (Lihhenoloogia) Ökoloogia
Bakterioloogia Geneetika
Mikrobioloogia Biokeemia
Viroloogia Molekulaarbioloogia
Füsioloogia
Bioinformaatika

7. Biosüstemaatika Eksamiks: E. Parmasto. 1996. Biosüstemaatika.
PDF fail aadressil

8. Biosüstemaatika on teadus elusorganismide mitmekesisusest.
Esmane ülesanne:
Taksonoomilise (bio)informatsiooni süsteemi loomine. Varustab kõiki, kellel on selleks vajadus, võrdlevate andmetega elusorganismide kohta.
Süstemaatika või biosüstemaatika?
Üldises kontekstis - biosüstemaatika (keeleteadus, eluta loodus jne.)
Bioloogilises tekstis - süstemaatika.

9. Süstemaatika (1737) ja taksonoomia (1813)
Erinevates koolkondades erinev tähendus. Euroopas süstemaatika tähistab praktilist klassifitseerimistööd ja taksonoomia klassifitseerimise teooriat, printsiipe ja reegleid. Põhja-Ameerikas aga vastupidine traditsioon.
Tänapäeval üha enam:
süstemaatika = taksonoomia

10. Bioinformaatika (ingl.k. bioinformatics)
(ka bioloogilise mitmekesisuse informaatika – ingl.k. biodiversity informatics)
Ülevaade biosüstemaatikaga seotud bioinformaatikast (bioloogilise mitmekesisuse informaatikast).

11. Peamised biosüstemaatika valdkonnad millega bioinformaatika tegeleb
- Taksonoomilised nimed ja klassifikatsioon
- Taksonite tunnused (taksonite kirjeldused, määrajad, fülogeneesi tunnused)
- Eksemplaride andmed ja liikide levik

12. Taksonoomilised nimed ja klassifikatsioon
Taksonoomia – õpetus organismide teaduslikust nimetamisest. Taksonoomia annab rahvusvaheliselt tunnustatud süsteemi organismirühmade nimetamiseks liigist elusorganismide riikideni välja.
Klassifikatsioonid rühmitavad väiksemad organismi rühmad suuremateks. Võimalik ka vastupidine klassifitseerimine – suuremad rühmad jagatakse väiksemateks.

13. Organismirühma (taksoni) eristamine ja tema nimetamine on kaks täiesti erinevat protsessi. Taksoni (liigi, perekonna, sugukonna, riigi) eristamine on teaduslik hüpotees selle taksoni reaalsusest. Hüpotees on ümberlükatav. Taksoni nimetamine lähtub kindlast reeglistikust, mis on sätestatud kolme rahvusvahelise nomenklatuuri koodeksi poolt (mikrobioloogia, botaanika ja zooloogia).

14. Nomenklatuuri ja klassifikatsiooni andmete hulk
Teaduse poolt on kirjeldatud ligi 2miljonit liiki. Iga aktsepteeritud liiginime kohta tuleb keskmiselt üks kuni kaks sünonüümi. S.t. kirjeldatud liikide arv on kindlalt alla ühe miljoni. Mingi organismide rühma teaduslike nimede nimekirja koostamine kestab tavaliselt aastaid.

15. Olulisemad projektid- taksonoomilised andmebaasid
ITIS (Integrated Taxonomic Information System)
GBIF
NCBI (”GenBank”), EMBL
All Species
Tree of Life
UNITE

16. Taksonite tunnused
Organismide tunnuste (atribuutide) uurimine, analüüsimine ja kirjeldamine on süstemaatiku üks olulisemaid töövaldkondi. Veelgi olulisem ja aeganõudvam on tunnuste varieeruvuse uurimine eksemplari, populatsiooni, liigi või ka kõrgema taksoni piires. Selle uurimistöö käigus uuritakse reeglina tuhandeid eksemplare, mille tulemusena tekivad mahukad andmebaasid.

17. Taksonite kirjeldused ja määrajad
Milleks see vajalik on?
Kõigepealt muidugi taksonite eristamiseks ja kirjeldamiseks. Korrektsed kirjeldused omakorda võimaldavad teistel teadlastel neid taksoneid edukalt määrata või määrata nende tunnuste abil taksonite vahelist sugulust.
Taksonite kirjeldused ja määrajad

18. Ajalugu:
- vanimad klassifikatsioonid (rahva taksonoomia)
- Linne 1735 ”Systema Naturae”
- Darwin 1859 ”Origin of species by means of natural selection”
- Mendeli tööde taasavastamine
- Numbriline taksonoomia
- Kladistika e. fülogeneetiline süstemaatika
Viimased olulised lisandused kuuluvad molekulaarse süstemaatika ja bioinformaatika valdkonda.

19. Liik - Süstemaatika põhiühik
- liigid ühendatakse süsteemis kõrgemateks hierarhilisteks rühmitusteks või jagatakse väiksemateks liigisisesteks üksusteks. Kõiki neid rühmi (alamliik, liik, perekond, sugukond jne) nimetatakse taksoniteks.
Takson kahetähenduslik termin:
- kui süstemaatika kategooria - liik, perekond
- takson kui konkreetne organismide kogumik (perekond tamm, harilik tamm jne.)

20. Liik Liikide eristamine: - liigi reaalsus
- liigi kriteeriumid (morfoloogiline, geograafiline, bioloogiline, geneetiline)

21. Liikide tekkimine Liikide tekkimine evolutsiooniõpetuse objekt
Süstemaatikas pole niivõrd oluline kuidas liik tekkinud. Tähtis on tema reaalsuse (tekkimise, muutumise, varieeruvuse) tunnistamine. Liigitekke teadmine oluline hübriid-liigitekkel - selliselt tekkinud liike raske klassifitseerida.
Liigitekke peamised viisid:
- allopatriline
- sümpatriline
- kvant-liigiteke
- hübriid-liigteke
- polüploidsus (peamiselt taimedel)

22. Liikide tekkimine Allopatriline liigiteke
Üks liik jaguneb kaheks või enamaks geograafilise isoleerituse tagajärjel. Isolatsiooni tekke põhjused mitmesugused (mandrite triiv, mäeahelike teke, seemnete või eoste sattumine ookeanisaartele jne.)
Sümpatriline liigiteke
Liik jaguneb rassideks (allüksusteks) spetsialiseerudes (kohanedes) erinevatele ökoloogilistele nishidele. Parasiit - peremees, sümbiondid. Ristumist vältivate piirangute teke (etoloogiline erinevus, taimedel erinev õitseaeg jm.)

23. Liikide tekkimine Kvant-liigiteke
Kiire ajalises mõttes. Väikese põhiareaalist eraldunud väikese populatsiooni kiire evolveerumine (geneetilise informatsiooni piiratus ja eraldatus põhiareaalist).
Hübriid-liigiteke
Eri liikide vahelised hübriidid muutunud sõltumatult paljunevaiks taksoneiks.
Polüploidsus (peamiselt taimedel)
Autopolüploid - komplektis kolm või enam homoloogset genoomi.
Allopolüploid - mittehomoloogsed genoomid (eri vanemliikidelt)

24. Liikide tekkimine Uniparentaalsed liigid
Liigid kellel ristumine puudub, s.t. puudub geneetilise informatsiooni vahetus. Isendid paljunevad vegetatiivselt, iseviljastumise jne. teel. Kloonid - muutuvad mutatsioonide abil. Erandkorras esineb uniparentaalsetel liikidel ka sugulist paljunemist!

25. Liigikontseptsioonid
Kõige üldisem, teoreetiline lähtekoht, et liike eristada
Vähemüldisemad lähtekohad liikide eristamiseks:
Liigi definitsioon - sisaldab lisaks üldistele printsiipidele (pärit liigikontseptsioonist) ka liigi omadused ning kriteeriumid mis võimaldavad liike eristada.
Liigi praktiline standard - sisaldavad uurija poolt konkreetsete organismide rühmale rakendatavaid kriteeriume. Esineb igal klassifitseerijal.

26. Liigikontseptsioonid
Nominalistlik
- liike nagu ka teisi süstemaatika ühikuid ei eksisteeri.
- inimese mõttetegevuse vili.
- liikide eristamine aitab meil paremini kirjeldada ümbritsevat loodust
Essentsialistlik e. morfoloogiline
- liigid erinevad teineteisest morfoloogiliste tunnuste põhjal (morfol. tunnuseid mõistetakse laialt haarates biokeemilisi ning füsioloogilisi tunnuseid).
- hiaatuse olemasolu (eri liikide vahel kindel (diskreetne) erinevus mida võimalik morfol. tunnuste abil tuvastada.
- kõige lihtsamini kasutatav kontseptsioon.
- teinekord nimetatakse ka tüpoloogiliseks k. (äärmuslik, isendid peavad vastama mingile kidlale tüübile).

27. Liigikontseptsioonid
Bioloogiline e. isolatsionistlik
- E. Mayr: Liik - reaalselt või potentsiaalselt ristuvate isendite populatsioonid, millele on iseloomulik kindel ökoloogiline nish.
- Sümpatriline liigiteke (lihtne)
- Allopatriline liigiteke (eksperiment)
- Intersteriilsed rühmad

28. Liigikontseptsioonid
Fülogeneetiline k.
- Liik - isendite rühm kes põlvneb ühest (paarist) esivanemast.
- Nõutakse ühte liiki kuuluvate isendite monofüleetilisust.
Teoreetiliselt parim seisukoht kuid paraku praktikas raskelt teostatav.
- Tänap. def. - liik on väikseim klassifikatsiooni ühik, millesse organismid on grupeerunud tänu nende monofüleetilisele päritolule (neil esinevad ainult sellele liigile iseloomulikud nn. sünapomorfsed tunnused) ja mis seetõttu pälvib formaalset tunnustamist liigina. Järelikult võimatu tunnistada liigist madalamaid ühikuid!

29. Tunnused (olemus, homoloogsus ja homoplaasia)
Tunnus (character) - biosüstemaatikas kasutatakse sõna tunnus elusorganismi teatud atribuudi tähistamiseks.
Tunnus võib olla kahes või enamas vormis mida nimetatakse tunnuse seisunditeks (character state).
Tunnused võimaldavad meil elusorganisme:
- kirjeldada
- identifitseerida
- klassifitseerida

30. Tunnused (olemus, homoloogsus ja homoplaasia)
Tunnuste nimestike koostamine:
- erinevad tunnuste tüübid
- tunnuste võrdsus enne analüüsi
- kõik tunnuse seisundid peavad olema homoloogsed
Tunnused või tunnuste seisundid on homoloogsed kui neil on:
- sama päritolu
- nad on kujunenud üksteisest või tunnusest, mis oli nende ühisel eellasel.

31. Näide homoloogsest tunnusest - karv
Kuna karv tekkis ainult korra siis on imetajate puhul tegemist homoloogse tunnusega
Inimene
Sisalik
Karv
puudub
olemas
Konn
Koer
1 tunnuse
muutus

32. Tunnused (olemus, homoloogsus ja homoplaasia)
Homoplaasia on mittehomoloogne sarnasus
Homoplaasia on iseseisva evolutsiooni tulemus (konvergents, parallelism, reversioon)
Homoplaasia esinemine võib põhjustada näivat sugulust.

33. Näide homoplaasiast - sabad
Saba kadumine inimesel ja konnal oli iseseisev sündmus evolutsioonis- tunnus muutus kaks korda!
Sisalik
Inimene
Saba
puudub
esineb
Konn
Koer

34. Näide homoplaasiast - sabad
Juhul kui saba olemasolu (puudumist!) käsitleda homoloogiana saame vale fülogeneesi puu!
Inimene
Sisalik
Saba
puudub
Konn
Koer
esineb

35. Homoplaasia - reversioon
Reversioon on tunnuse muutus tagasi vanema (plesiomorfse) tunnuse seisundi juurde.
Nagu iga teine homoplaasia viis võib reversioon viia vale tulemuseni.
Õige puu
Vale puu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 7 8 3 4 5 6 9 10

36. Homoplaasia - molekulaarsed andmed
DNA nukleotiidsete järjestuste puhul homoplaasia väga tavaline
Üheks põhjusteks tunnuse seisundite väga väike arv (A, G, C ja T)
Seisundid keemiliselt identsed ning seetõttu homoloogia ja homoplaasia eristamatud ka kõige detailsema uuringu põhjal.

37. Sama nukleotiidi korduv mutatsioon
Sekv 1 AGCGAG
Sekv 2 GCGGAC
Muutuste arv C A G T 1 2 3
Sekv 1
Sekv 2

38. Keeruline insertsioonide ja/või väljalõigete tõttu
Järjestamine
Lihtne
Keeruline insertsioonide ja/või väljalõigete tõttu

39. Järjestamise meetodid
Kolm peamist meetodit:
Käsitsi
Automaatne kasutades arvutiprogrammi
Kombineeritud

42. Süstemaatika põhimõisteid
Takson võib olla:
monofüleetiline (monophyletic)
- parafüleetiline (paraphyletic)
- polüfüleetiline (polyphyletic)

43. Süstemaatika põhimõisteid
Monofüleetiline (monophyletic)
Liikide rühm kuhu kuulub nende ühine (hüpoteetiline) esivanem
ja kõik tema järglased. Määrav ei ole sarnasus või erinevus taksonite vahel vaid ühine päritolu. A B C D

44. Süstemaatika põhimõisteid
Monofüleetiline (monophyletic)
Liikide rühm kuhu kuulub nende ühine (hüpoteetiline) esivanem
ja kõik tema järglased. Määrav ei ole sarnasus või erinevus taksonite vahel vaid ühine päritolu. A B C D

45. Süstemaatika põhimõisteid
Parafüleetiline (paraphyletic)
Liikide rühm kuhu kuulub nende ühine (hüpoteetiline) esivanem
ja üks osa tema järglasi. Teine osa järglastest on mingil põhjusel välja arvatud. A B C D

46. Süstemaatika põhimõisteid
Polüfüleetiline (polyphyletic)
Liikide rühm kuhu kuuluvad erinevaist esivanemaist pärinevad taksonid. A B C D

47. Süstemaatika erinevad tüübid
Empiiriline e. kogemuslik süstemaatika
Põhineb vaadeldud sarnasuse subjektiivsel hindamisel. Puudub kindel metodoloogiline alus.
Feneetiline süstemaatika
Põhineb organismide üldisel sarnasusel, mis väidetavalt näitab nende ühist päritolu. Kasutatakse numbrilise taksonoomia meetodeid, mille abil arvutatakse uuritavate objektide (taksonite) summaarne sarnasus.

48. Süstemaatika erinevad tüübid
Fülogeneetiline süstemaatika
Põhineb monofüleetiliste rühmade tunnustamisel, tunnuste polariseerimisel (plesiomorfsed ja apomorfsed tunnused) ja säästuprintsiibil.
Evolutsiooniline süstemaatika
Kahte eelnevat ühendada püüdev. Aktsepteeritakse parafüleetilisi rühmi.

49. Süstemaatika erinevad tüübid
Evolutsiooniline s. Feneetiline s.
Klass Mammalia Klass Mammalia
Klass Reptilia Klass Reptilia
Alamklass Testudines Alamklass Testudines Alamklass Squamata Alamklass Squamata
Klass Aves Klass Aves
Fülogeneetiline s.
Klass Mammalia
Klass Reptilia
Alamklass Testudines
Alamklass Sauria
Infraklass Squamata
Infraklass Archosauria
Selts Crocodilia
Selts Aves

50. http://tolweb.org/tree/ A collaborative Internet project containing
information about phylogeny and biodiversity

51. UCMP Phylogeny Wing: The Phylogeny of Life
UCMP Phylogeny Wing: The Phylogeny of Life
The ancestor/descendant relationships which connect
all organisms that have ever lived.
The Biosphere: Life on Earth

52. 1. Kuni 20 saj. elusloodus jaotatud kaheks - taimed ja loomad.
jõuti arusaamisele, et olemasolevasse süsteemi
ei saa paigutada seeni, protiste ja baktereid.
tel eluslooduse viie riigi aktsepteerimine. Hakati vahet
tegema prokarüootidel (bakterid) ja eukarüootidel (taimed, loomad, seened ja protistid).
(NB! Mittemolekulaarsed tunnused)

53. 1970-te lõpus tabas teadusüldsust suur üllatus - avastati täiesti uus organismide rühm, mida hakati nimetama arheadeks (Archaea).
Dr. Carl Woese (Illinoisi Ülikool) uuris molekulaarsete meetodite abil prokarüoote. Leidsid, et nn. bakterid mis eelistavad kõrget temperatuuri või toodavad metaani on molekulaarsete tunnuste põhjal väga erinevad nii nn. tavalistest bakteritest kui ka eukarüootidest.
Woese ettepanek jagada elusloodus komeks domeeniks (domain): eukarüoodid, eubakterid ja arhebakterid. Hiljem lihtsalt arhead.
Morfoloogia-anatoomia versus molekulaarsed tunnused

54. Eukarüoodid
Bakterid
Arhead

55. Bakterid (“tõelised bakterid”, mitokondrid ja kloroplastid
(Eukaryotes, Asteraceae)
(Eukaryotes, Coleoptera)
Fischerella (Eubacteria, Cyanobacteria)
Bakterid (“tõelised bakterid”, mitokondrid ja kloroplastid
Arhead (nn. arhebakterid)
Eukarüoodid (protistid, taimed, seened, loomad)
?Viirused

56. Arhead
Kuumaveeallikad (Yellowstone’i Rahvuspark, USA)
Mikroskoobis bakteritega sarnased. Keeruline kulti-veerida. Biokeemiliselt ja molekulaarsete tunnuste põhjal bakteritest sama erinevad kui inimene!

57. Arhead
Ekstreemsetes keskkonnatingimustes
Ookeanide sügavates kihtides. Temperatuuril üle +100˚C. Kuumaveeallikad. Loomade (lehmad, termiidid, meres elavad liigid) seedetraktis kus toodavad metaani. Nafta maardlates. Ülisoolases vee.
Avamere planktoni koosseisus

58. Arhead
Pyrodictium sp. Pyrolobus sp. (+113°C) Pyrobaculum sp.

59. Bakterid
Prochloron
Spirulina
(Tsüanobakterid e. sinikud)

60. Bakterid (“tõelised bakterid”, mitokondrid ja kloroplastid
(Eukaryotes, Asteraceae)
(Eukaryotes, Coleoptera)
Fischerella (Eubacteria, Cyanobacteria)
Bakterid (“tõelised bakterid”, mitokondrid ja kloroplastid
Arhead (nn. arhebakterid)
Eukarüoodid (protistid, taimed, seened, loomad)

61. Acantharea sp.
Loomad
Seened
Dinoflagellaadid, tsiliaadid
Stramenopiilid
Punavetikad
Taimed
Teised protistid, ca 60 fülogeneesi haru

62. Loomad Ctenophora Käsn (Haliclona) meriroos
Meduusid, meriroosid, korallid
Käsnad

63. Seened

64. Taimed Coleochaete (Coleochaetales) Chlamydomonas (Chlorophyceae)
Spirogyra
(Zygnemetales)
Hepatica sp.