Что изучает классификацию животных
Классификация
Наука о классификации животных называется систематика или таксономия. Эта наука определяет родственные связи между организмами. Степень родства далеко не всегда определяется внешним сходством. Например, сумчатые мыши очень похожи на обыкновенных мышей, а тупайи — на белок. Однако эти животные относятся к разным отрядам. А вот броненосцы, муравьеды и ленивцы, совершенно непохожие друг на друга, объединены в один отряд. Дело в том, что родственные связи между животными определяются их происхождением. Исследуя строение скелета и зубную систему животных, ученые определяют, какие звери наиболее близки друг другу, а палеонтологические находки древних вымерших видов животных помогают установить более точно родственные связи между их потомками. Большую роль в систематике животных играет генетика — наука о законах наследственности.
Первые млекопитающие появились на Земле около 200 млн. лет назад, отделившись от зверообразных рептилий. Исторический путь развития животного мира называется эволюцией. В ходе эволюции происходил естественный отбор — выживали только те животные, которые сумели приспособиться к условиям окружающей среды. Млекопитающие развивались в разных направлениях, образуя множество видов. Случалось так, что животные, имеющие общего предка, на каком-то этапе стали жить в разных условиях и приобрели разные навыки в борьбе за выживание. Преобразовывался их внешний облик, из поколения в поколение закреплялись полезные для выживания вида изменения. Животные, предки которых относительно недавно выглядели одинаково, стали со временем сильно отличаться друг от друга. И наоборот, виды, имевшие разных предков и прошедшие разный эволюционный путь, иногда попадают в одинаковые условия и, меняясь, становятся похожими. Так неродственные между собой виды приобретают общие черты, и лишь науке под силу проследить их историю.
Классификация животного мира
Царства
Типы делятся на классы. Всего существует 5 классов позвоночных животных: рыбы, земноводные, птицы, рептилии (пресмыкающиеся) и млекопитающие (звери). Млекопитающие — самые высокоорганизованные животные из всех позвоночных. Всех млекопитающих объединяет то, что они вскармливают своих детенышей молоком.
Класс млекопитающих делится на подклассы: яйцекладущие и живородящие. Яйцекладущие млекопитающие размножаются, откладывая яйца, как рептилии или птицы, но детенышей вскармливают молоком. Живородящие млекопитающие делятся на инфраклассы: сумчатые и плацентарные. Сумчатые рожают недоразвитых детенышей, которые долгое время донашиваются в выводковой сумке матери. У плацентарных зародыш развивается в утробе матери и рождается уже сформировавшимся. У плацентарных млекопитающих есть особый орган — плацента, осуществляющая обмен веществ между материнским организмом и зародышем в период внутриутробного развития. У сумчатых и яйцекладущих плацента отсутствует.
Типы животных
Классы делятся на отряды. Всего существует 20 отрядов млекопитающих. В подклассе яйцекладущих — один отряд: однопроходные, в инфраклассе сумчатых — один отряд: сумчатые, в инфраклассе плацентарных 18 отрядов: неполнозубые, насекомоядные, шерстокрылы, рукокрылые, приматы, хищные, ластоногие, китообразные, сирены, хоботные, даманы, трубкозубые, парнокопытные, мозоленогие, ящеры, грызуны и зайцеобразные.
Класс млекопитающих
Некоторые ученые выделяют из отряда приматов самостоятельный отряд тупайи, из отряда насекомоядных выделяют отряд прыгунчиковые, а хищных и ластоногих объединяют в один отряд. Каждый отряд делится на семейства, семейства — на роды, роды — на виды. Всего на земле в настоящее время обитает около 4000 видов млекопитающих. Каждое животное в отдельности называется особь.
Биологическая систематика
Содержание
Цели и принципы систематики
Основные цели систематики:
Систематика всегда предполагает, что:
Современные классификации живых организмов построены по иерархическому принципу. Различные уровни иерархии (ранги) имеют собственные названия (от высших к низшим): царство, тип или отдел, класс, отряд или порядок, семейство, род и, собственно, вид. Виды состоят уже из отдельных особей.
Принято, что любой конкретный организм должен последовательно принадлежать ко всем семи категориям. В сложных системах часто выделяют дополнительные категории, например, используя для этого приставки над- и под- (надкласс, подтип и т. п.). Каждый таксон должен иметь определённый ранг, то есть относиться к какой-либо таксономической категории.
Этот принцип построения системы получил название Линнеевской иерархии, по имени шведского натуралиста Карла Линнея, труды которого были положены в основу традиции современной научной систематики.
Сравнительно новым является понятие надцарства, или биологического домена. Оно было предложено в 1990 Карлом Вёзе и ввело разделение всей биомассы Земли на три домена: 1) эукариоты (домен, объединивший все организмы, клетки которых содержат ядро); 2) бактерии; 3) археи.
История систематики
В 1172 году арабский философ Аверроэс сделал сокращённый перевод трудов Аристотеля на арабский язык. Его собственные комментарии были утеряны, но сам перевод дошёл до наших дней на латыни.
Большой вклад сделал швейцарский профессор Конрад Геснер (1516—1565).
Эпоха великих открытий позволила учёным существенно расширить знания о живой природе. В конце XVI — начале XVII веков начинается кропотливое изучение живого мира, вначале направленное на хорошо знакомые типы, постепенно расширившееся, пока, наконец, не сформировался достаточный объём знаний, составивший основу научной классификации. Использование этих знаний для классификации форм жизни стало долгом для многих известных медиков, таких как Иероним Фабриций (1537—1619), последователь Парацельса Педер Сёренсен [en] (1542—1602, известен также как Петрус Северинус), естествоиспытатель Уильям Гарвей (1578—1657), английский анатом Эдвард Тайсон (1649—1708). Свой вклад сделали энтомологи и первые микроскописты Марчелло Мальпиги (1628—1694), Ян Сваммердам (1637—1680) и Роберт Гук (1635—1702).
Английский натуралист Джон Рей (1627—1705) опубликовал важные работы по растениям, животным и натуральной теологии. Подход, использованный им при классификации растений в его «Historia Plantarum», стал важным шагом по направлению к современной таксономии. Рей отверг дихотомическое деление, которое использовалось для классификации видов и типов, предложив систематизировать их по схожести и отличиям, выявленным в процессе изучения.
Линней
Линней использовал в классификации четыре уровня (ранга): классы, отряды, роды и виды. Введённый Линнеем метод формирования научного названия для каждого из видов используется до сих пор (применявшиеся ранее длинные названия, состоящие из большого количества слов, давали описание видов, но не были строго формализованы). Использование латинского названия из двух слов — название рода, затем видовой эпитет — позволило отделить номенклатуру от таксономии. Данное соглашение о названиях видов получило наименование «бинарная номенклатура».
После Линнея
В конце XVIII века Антуан Жюссьё ввёл категорию семейства, а в начале XIX века Жорж Кювье сформулировал понятие о типе животных. Вслед за этим категория, аналогичная типу, — отдел — была введена для растений.
Чарлз Дарвин предложил понимать естественную систему как результат исторического развития живой природы. Он писал в книге «Происхождение видов»:
…общность происхождения и есть та связь между организмами, которая раскрывается перед нами при помощи наших классификаций.
Дарвин предположил, что наблюдаемая таксономическая структура, в частности, иерархия таксонов, связана с их происхождением друг от друга. Так возникла эволюционная систематика, ставящая во главу угла выяснение происхождения организмов, для чего используются как морфологические, так и эмбриологические и палеонтологические методы.
Наименование и описание таксонов
К началу XX века в систематике оформилось семь основных таксономических категорий:
Любое растение или животное должно последовательно принадлежать ко всем семи категориям. Часто систематики выделяют дополнительные категории, используя для этого приставки под- (sub-), инфра- (infra-) и над- (super-), например: подтип, инфракласс, надкласс. Такие категории обязательными не являются, то есть при систематизации объекта их можно пропустить. Кроме того, часто выделяются и другие категории: раздел (divisio) между подцарством и надтипом у животных, когорта (cohors) между подклассом и надпорядком, триба (tribus) между подсемейством и родом, секция (sectio) между подродом и видом, и так далее. Часто такие категории используются лишь в систематике каких-то конкретных таксонов (например, насекомых).
Для того чтобы избежать синонимии (то есть разных названий одного и того же таксона) и омонимии (то есть одного названия для разных таксонов), в настоящее время номенклатура регулируется номенклатурными кодексами, позволяющими деление на уровни (см. Ранг (биологическая систематика)),— отдельно для растений, животных и микроорганизмов. Во всех номенклатурных кодексах используются три основные принципа номенклатуры: приоритета, действительного обнародования и номенклатурного типа. Кроме того, названия всех таксонов должны даваться по-латыни (от латинских и греческих корней либо от личных имён или народных названий), а название вида должно быть бинарным, то есть состоять из названия рода и видового эпитета. Например, латинское название картофеля — Solanum tuberosum L. (последнее слово обозначает автора названия — в данном случае это Карл Линней; в зоологии часто ставят ещё и год действительного обнародования).
Диагностика таксонов
Под диагностикой понимают прежде всего составление таблиц для определения организмов (так называемых определительных ключей). Со времён Ж. Б. Ламарка наибольшее распространение получили дихотомические ключи, в которых каждый пункт (ступень) разделён на тезу и антитезу, снабжённые указаниями о том, к какой ступени нужно перейти дальше. Сейчас почти вся флора и фауна Земного шара охвачена определительными ключами.
Иерархия
Современные разработки
В настоящее время принято, чтобы классификация там, где это допустимо, следовала принципам эволюционизма.
Р. Сокэл и П. Снит в 1963 году основали так называемую численную (нумерическую) систематику, в которой сходство между таксонами определяется не на основании филогении, а на основании математического анализа максимально большого количества признаков, имеющих одинаковое значение (вес).
Домены — относительно новый способ классификации. Трёхдоменная система изобретена в 1990 году, однако до сих пор не принята окончательно. Большинство биологов принимает эту систему доменов, однако значительная часть продолжает использовать пятицарственное деление. Одной из главных особенностей трёхдоменного метода является разделение археев (Archaea) и бактерий (Bacteria), которые ранее были объединены в царство бактерий. Существует также малая часть учёных, добавляющих археев в виде шестого царства, но не признающих домены.
Сегодня систематика принадлежит к числу бурно развивающихся биологических наук, включая всё новые и новые методы: методы математической статистики, компьютерный анализ данных, сравнительный анализ ДНК и РНК, анализ ультраструктуры клеток и многие другие.
Развитие науки таксономии
Наука, которая занимается классификацией животных, получила название таксономия или систематика. Учёные определяют те или иные родственные связи между различными организмами, причём такое сходство будет не только во внешнем виде, но и в строении тела или же на клеточном уровне. Первые наблюдения и разделение животных на различные классы началось еще в глубокой древности. В Египте и Месопотамии приблизительно 5000 лет назад появились первые трактаты, в которых описывались различные виды земноводных, птиц и пресмыкающихся.
В эпоху средневековья таксономия и зоология практически не развивались, что объяснялось религиозными причинами. Считалось, что животных создал Господь Бог и классифицировать их по различным признакам, а уж тем более задаваться вопросами происхождения видов было неуместно, а часто и вовсе опасно.
Лишь с появлением трактатов Дарвина биология и систематика животных получили своё развитие, ученые стали заниматься исследованием окружающей среды. Первоначально всех зверей разделили на одно и многоклеточных, однако в последующем учёные Ламарк и Линней разработали принципы систематической классификации, выделяя такие живые организмы в соответствующие таблицы и схемы по принципу их родства.
Все живые существа, имеющие сходство и близкие генные связи, принято выделять в отдельную группу, получившую название род. Схожие по своим характеристикам рода имеют уже обозначение семейства. Это более общая группа, которая может включать тысячи и тысячи видов. Например, имеется семейство кошачьих, к которым относятся львы, тигры, леопарды, дикие и домашние кошки. При этом все они по своему описанию относятся к отряду хищных и классу млекопитающих. Такое иерархическое построение видов животных на условные единицы существенно упростило их классификацию.
Особенности классификации животных
Изначально какая-либо строгая иерархия в классификации отдельных видов животных отсутствовала, что существенно усложняло работу учёных и биологов. В последующем была выработана структура, наивысшей категорией в которой является царство, а низшим звеном считается конкретный вид.
Классификация имеет вид цепочки:
Животный мир непостоянен, ежедневно открываются новые виды. Также беспрерывно идёт процесс эволюции, что позволяет учёным выделять новые подсемейства, которые обладают теми или иными свойствами. При этом отдельные виды животных, например, крокодилы или рыбы семейства осетровых, практически не изменились с доисторических времен. Это живые свидетели динозавров, которые проживали на земле еще в те времена, когда человека не существовало.
Основные царства
Самым крупным и прогрессивным типом считаются хордовые, у которых имеется первичная скелетная ось. К этой группе животных относятся более 90% всех изученных видов. При наличии высокоразвитой хорды этих созданий выделяют в подтип позвоночных, к которым относится человек и другие звери.
У позвоночных животных выделяют пять основных классов:
Считается, что самыми высокоорганизованными животными являются млекопитающие, для которых характерно вскармливание детенышей своим молоком. Ученые провели исследования и установили, что белок из грудного молока позволяет ускорить развитие мозга, давая несомненные преимущества этим видам над другими классами позвоночных.
Класс млекопитающих
Для класса млекопитающих характерен волосяной покров (отсутствует у водяных семейств) и наличие молочных желез, необходимых для вскармливания детенышей. Имеются четыре конечности, которые отличаются своей специализацией. Большинство млекопитающих имеют дифференцированные на группы зубы и ушные раковины. Для всех видов характерны такие признаки, как органы дыхания — легкие, наличие четырёхкамерного сердца и теплокровная кровяная система.
Млекопитающие размножаются путем внутреннего оплодотворения с помощью пениса и последующего вынашивания зародышей. При этом такой период может длиться как несколько недель у простейших видов, так и практически два года у слонов и китов. Большинство млекопитающих живородящие, и лишь переходящие животные, в том числе ехидна, проехидна и утконос откладывают яйца. Длительность периода вскармливания также отличается. Например, отдельные шимпанзе могут кормить потомство буквально несколько дней, тогда как голубой кит находится с детенышем и дает ему молоко на протяжении двух лет.
На сегодняшний день известно 4000 видов млекопитающих. Этот класс животных хорошо изучен, поэтому новые семейства и рода открываются крайне редко. Размеры млекопитающих могут существенно различаться, например, взрослая землеройка имеет массу не более полутора грамм, тогда как голубые киты могут иметь длину 30 метров и вес до 120 тонн. Считается, что высшим эволюционным звеном этого класса является человек, мозг которого по отношению к весу всего оставшегося тела едва ли не самый большой.
Рыбы и земноводные
Все существующие в настоящее время рыбы принято разделять на два основных класса — хрящевые и костные. К первым относятся преимущественно морские хищники, химеры, скаты и акулы. Это древнейшие виды, которые практически не изменились с доисторических эпох. Скелет хрящевой, сохраняющийся на протяжении всей жизни. Рот, расположенный на брюшной стороне, имеет сильные челюсти с покрытыми эмалью зубами. Считается, что хрящевые рыбы ближе всего к вымершим панцерникам, которые царствовали в морях и океанах в доисторическую эпоху, когда суша была ещё безжизненной.
К костным относится более 90% всех изученных на сегодняшний день рыб. Они проживают в солёной или пресной воде, также имеются проходные виды, которые нагуливают массу в море, после чего идут нереститься в озёра и реки. Костные рыбы имеют выраженное веретенообразное тело с развитыми челюстями, двухкамерное сердце, а органами дыхания являются жабры, которые способны из воды получать кислород. Их размеры могут существенно различаться, буквально от нескольких сантиметров до 7−8 метров. На сегодняшний день известно 25 000 видов, при этом ученые постоянно открывают новые классы и рода.
Считается, что животные класса земноводные стали первыми позвоночными, которые вышли из воды и стали жить на суше. По сути, в последующем они и дали жизнь всем другим сухопутным видам. Это холоднокровные животные, температура тела у которых зависит от внешней среды. Кожа влажная, голая, участвующая в дыхании. Сердце состоит из трех камер, причём известна интересная способность земноводных замедлять дыхание и сердцебиение, впадая в анабиоз.
Большинство земноводных яйцекладущие и лишь некоторые размножаются личинками. Самыми известными животными этого класса являются жабы, лягушки и саламандры. Они проживают во влажных местах в непосредственной близости от водоёмов, а вот в пустынях земноводные практически не встречаются.
На сегодняшний день известно около 8000 видов класса амфибий. Они различаются своими размерами, но настоящих гигантов среди земноводных нет, их максимальные размеры не превышают 30−50 сантиметров.
Птицы и рептилии
Отличительной чертой птиц является наличие у них перьев. Это теплокровные разновидности животных, температура тела которых не зависит от условий среды. Передние конечности птиц превращены в крылья, однако у отдельных видов способность летать была вторично утрачена. Зубы во рту отсутствуют, хотя у ископаемых семейств они были достаточно большими, также утрачен первичноротый орган. Оплодотворение у птиц внутреннее, при этом совокупительный орган отсутствует. Все виды включительно яйцекладущие.
Зародышевые оболочки (яйца) аналогичны пресмыкающимся видам, скорлупа имеет известняковое происхождение. В последующем большинство видов заботится о своих птенцах, вскармливая их до половозрелого состояния. Размеры птиц могут существенно различаться, например, у колибри масса доходит лишь до 3 грамм, тогда как страусы могут иметь вес в 140 килограмм. Отдельные виды одомашнены, такое птицеводство играет важнейшую роль в сельскохозяйственном производстве.
Пресмыкающиеся или рептилии — это один из древнейших сохранившихся с доисторических времён класс животных. К ним относятся крокодилы, змеи, ящерицы. Считается, что именно пресмыкающиеся первыми на земле утратили способность жить в воде, перейдя на сушу. Для этих животных характерно внутреннее оплодотворение, они откладывают яйца, которые покрыты кожистой или известковой оболочкой. Кожа у пресмыкающихся сухая, часто покрыта защитной роговой чешуёй.
Отдельные виды пресмыкающихся, в том числе крокодилы, сохранили внешний вид зверей, которые обитали в так называемый век рептилий, который был 245 миллионов лет до нашей эры. Проведенные исследования показали, что современные крокодилы существенно уступают своим сородичам в размерах, при этом в прошлом существовали сотни различных видов таких животных. Класс рептилий чрезвычайно развит, учёным известно около 8000 представителей пресмыкающихся, при этом постоянно открываются новые подклассы и рода.
Задания таксономии
Разнообразие животных и растений классифицируются с использованием принципов, которые вытекают из строгой логики (здравого смысла), и знаний особенностей их строения, биологии, распространения. Систематика должна решить две основных задачи:
С самого начала (не менее 300 лет) систематика растений и животных пребывает в состоянии молодой науки (в отличие от географии или ботаники, например). До сих пор описываются новые типы, радикально меняется классификация многих крупных групп, регулярно появляются новые методы и подходы к построению классификации.
Основные направления
Ж. Кювье основал науку палеонтологию и неопровержимыми фактами доказал, что животные Земли неоднократно радикально менялись. Объяснение этим изменениям дала эволюционная теория. Со времён публикации «Происхождение видов» Ч. Дарвина эта теория стала руководящей при изучении животных. Сейчас ни один натуралист не сомневается в основных положениях трансформизма: мир животных развивается и изменяется, и современные животные — потомки организмов прошлых геологических эпох.
В течение последних 50 лет в систематике сформировалось 4 основных направления:
Таксономический анализ
Учёный Карл Линней предложил иерархическую схему из пяти категорий: класс, ряд, род, вид и вариетет. Например, человек расположился в классификации К. Линнея в такой последовательности:
На сегодняшний день наивысшим рангом группировки всех живых существ является домен или надцарство. Такое название термина предложил Карл Вёзе в 1990 году.
Таксономический анализ представляет собой распределение признаков между таксонами, на основании которого таксоны группируются в надтаксоны. Фактически, это анализ таксонов и их выдающихся признаков.
Первый этап — составление таблицы таксон/признак. Такую таблицу приходится делать всем практикующим систематикам, будь то кладисты, или типологи, или представители других направлений.
Способы, которыми такая таблица превращается в классификацию, сильно отличается в разных школах. Таксоны группируются по два или более на основании подобия и различия. Равноценные признаки можно подсчитывать с помощью формул и сравнивать количество общих признаков и отличительных черт у разных таксонов. Если признаки считаются неравноценными, то больший вес может предоставляться или более давним примитивным, или более молодым и производным. Корреляция между признаками может учитываться или не учитываться.
Группировкам таксонов, которые вышли, предоставляется ранг соответственно с традициями, разветвлениями эволюционных линий, геологическим возрастом, соотношением между величиной хиатуса и числом представителей.
«Линнеевская» систематика
В «Философии ботаники» Линней писал, что сначала он выделял таксоны интуитивно, а потом уже оформлял своё убеждение в классификацию, обнаруживая природные, существенные и искусственные признаки.
После составления таблицы таксонов и признаков нужно найти «природный признак» — совокупность признаков, которые совпадают во всех подтаксонах (например, в видах внутри рода, в родах внутри семейства). Таким образом, для нахождения природного признака рода сравниваются списки особенностей разных видов. Вычёркиваются все признаки, которые не совпадают.
Природные признаки представляют собой описание таксона. Они включают в себя самые обычные и распространённые признаки, характерные для таксонов более высоких рангов. Например, самым природным признаком какого-либо рода является клеточное строение, какого-либо рода в составе типа хордовых — наличие хорды.
Природные признаки, в свою очередь, содержат в себе существенные и искусственные признаки. Существенный признак служит для различия таксонов в системе органического мира. Искусственный признак разграничивает род всего лишь от других родов такого же искусственного порядка. Это заменитель существенного признака, пока тот не найден. Существенные и искусственные признаки служат для разграничения родов, а природные — для их описания.
Традиционная классификация
Для обозначения таксонов, ранг которых ещё неясен, используются такие нейтральные термины, как фенон, форма, группа.
Фенон — фенотипически однородная выборка особей. Самцы и самки могут принадлежать к разным фенонам; в случае видов-двойников к одному фенону могут относиться представители нескольких видов.
Термин «форма» может применяться, когда неизвестно, идёт ли речь про вид или подвид, или про экземпляр, который уклоняется, сезонную вариацию или касту. Термин используется также, когда речь идёт о нескольких таксонах разных рангов (например, вид и подвид).
Группа — виды, которые не имеют статуса подрода.
Понятие вида
Вид — основная систематическая категория. Это единственная таксономическая категория, объективное существование которой не поддаётся сомнению и подвергается экспериментальной проверке. Именно вид является исходной единицей систематики организмов.
Считается, что самостоятельные виды должны быть генетически изолированы. Особи, репродуктивно изолированные друг от друга, относятся к разным видам. Способные скрещиваться между собой должны быть отнесены к одному виду. Если генетическая изоляция доказана, то доказана и самостоятельность вида.
Однако репродуктивный критерий сложно использовать на практике при обработке коллекционных материалов. В практической работе для разграничения близких видов используется тройной критерий. Его применение позволяет надёжно определить, когда имеется дело с самостоятельными видами, а когда — с внутренне видовой изменчивостью (географической, гостальной, индивидуальной).
Морфологический критерий
Этот критерий позволяет, не проводя экспериментов по скрещиванию, оценить, являются ли две формы репродуктивно изолированными в природе.
Хиатус — выразительный разрыв в морфологических признаках, то есть отсутствие промежуточных вариантов между двумя формами. Противоположное понятие — трансгрессия: это перекрытие морфологических признаков, то есть наличие промежуточных вариантов.
Если две формы имеют хиатус в каких-нибудь морфологических характеристиках, то они, скорее всего, репродуктивно изолированы, а, значит, должны быть отнесены к разным видам. Если виды действительно самостоятельные, хиатус определяется даже между видами-двойниками.
Географический параметр
Если две близкие формы, разделённые хиатусом, имеют самостоятельные ареалы (расположение), которые не перекрываются, скорее всего, они являются самостоятельными видами. Если же две очень близкие формы, разделённые морфологическим хиатусом, встречаются совместно, то не исключено, что в иерархии они должны быть отнесены к одному виду.
Экологический признак
Каждый вид владеет большей или меньшей экологической специфичностью. Только в сказке К. Чуковского «рыбы по полю гуляют, жабы по небу летают». Очень маленькая вероятность, что один вид будет существовать и в пустыне, и на болоте. Птицы, которые гнездятся в дуплах, не могут гнездиться в песчаной пустыне.
Классификация растений и животных до сих пор не развалилась только из-за консервативности большинства систематиков. В каждом направлении существуют интересные методы и подходы, которые можно использовать в практической работе.