Miten huomioida opetuksessa biologisen tiedon muuttuminen – esimerkkinä eliöiden luokittelu

Esimerkkinä eliökunnan luokittelu

1. Kartoita, mikä on muuttunut

• Geneettisen tutkimustiedon lisääntyessä on havaittu, että yksisoluisten eliöiden geneettinen monimuotoisuus ja lajirunsaus on huomattavan suurta verrattuna monisoluisiin eliöihin. Aiemmin monisoluisten eliöiden osuutta ja merkitystä eliökunnassa on ylikorostettu.

• ---

  Tumalliset yksisoluiset eliöt poikkeavat toisistaan geneettisesti, rakenteellisesti ja elintoiminnoiltaan niin paljon, ettei niitä enää luokitella yhteiseen taksoniin, alkueliöihin.

• ---

  Arkeonien domeeni sisältää tumalliset eliöt.

• ---

  Eliöiden evoluutiohistoriasta on tullut runsaasti uutta tietoa. Tunnistettujen eliöiden karkea sijainti eliökunnan sukupuussa ja sukulaisuussuhteet tiedetään nykyään melko hyvin. Systematiikka ja monien ryhmien tarkemman fylogenian rakentaminen on kuitenkin vielä kesken. 

2. Kartoita, mikä todennäköisesti on vielä muuttumassa

• Taksonominen luokittelujärjestelmä kehittyy edelleen varsinkin systematiikan osalta eli taksoneiden sijoittaminen tietyille taksonitasoille on vielä osin vakiintumatonta. Esimerkiksi kasvit voidaan tulevaisuudessa sijoittaa eri taksonitasolle kuin nykyisin.

• ---

  Myös taksonitasojen määrittely ja nimeäminen on vielä osin vakiintumatonta. Näin on esimerkiksi domeenin ja kunnan väliin jäävien taksonitasojen kohdalla.

• ---

  Monilla taksoneilla, kuten tumallisiin eliöihin kuuluvilla kromalveolaateilla ja ekskavaateilla, ei ole vielä vakiintuneita suomenkielisiä nimiä

3. Lähde opetuksen suunnittelussa liikkeelle siitä, mitä tiedetään

• Taksonomisen luokittelun opetuksessa painopiste kannattaa olla tämänhetkisen tiedon opetuksessa, ja se kannattaa erottaa selvästi aiempien käsitysten opetuksesta.

• ---

  Taksonomisen luokittelun opetuksessa voidaan hyödyntää yksinkertaistettuja kaavioita luomaan kokonaiskuvaa ja jäsentämään tietoa eliökunnasta.

Katso opetusvinkki Kasvi- ja eläinkaaviot tukimateriaalin luvusta Opetusvinkkejä eliökunnan rakenteen muutoksen opettamiseen

• ---

  Taksonomisen luokittelun yhteydessä kannattaa käyttää taksoninimiä eikä esim. muotoluokkien nimiä. Esimerkiksi sanikkaiset ei ole taksoninimi vaan muotoluokka.

Katso opetusvinkki Muotoluokat vs. evoluutioon perustuvat taksonit tukimateriaalin luvusta Eliökunnan rakenne tämänhetkisen tieteellisen käsityksen mukaan

• Taksonitasojen nimien kohdalla kannattaa keskittyä jo vakiintuneiden nimien käyttöön (domeeni, kunta, pääjakso/kaari, luokka, lahko, heimo, suku, laji). 

4. Huomioi tiedon muutos ja sen mahdollinen vakiintumattomuus

• Suomennetut nimet helpottavat taksonomisten käsitteiden mieleen painamista. Esimerkiksi kromalveolaateista voidaan käyttää suomennusta värirakkulaiset ja ekskavaateista suomennosta onteloiset (suomennokset: Sari Timonen).

• Huomioi taksonomisen luokittelun vakiintumattomuus opetusta suunnitellessasi. Systematiikan vakiintumattomuuden vuoksi valitse harkiten mukaan otettavat taksonit tehtäviin, joissa taksoneita sijoitetaan tietyille taksonitasoille.

• Vaikka ymmärrys eliökunnan rakenteesta on lisääntynyt, opetettavan tiedon määrää ei kannata lisätä vaan tiivistää karsimalla yksityiskohtia ja vanhentunutta tietoa.

5. Selitä tiedon muutos ja käsittele ristiriidat

• Eliökunnan rakenne on yksi keskeinen sisältöalue jo vuosiluokkien 7–9 biologian opetussuunnitelmassa. Opiskelija on voinut omaksua erilaisen käsityksen eliökunnan rakenteesta peruskoulussa kuin lukiossa. Tätä ristiriitaa voidaan käsitellä vertailemalla erilaisia käsityksiä ja selittämällä, mistä erot johtuvat.

• Keskeistä muutoksen selittämisessä on tuoda esille seuraavat seikat:

1. Nykyinen taksonominen luokittelu lähtee ajatuksesta, että kaikki eliöt ovat kehittyneet yhteisestä kantamuodosta, ja luokittelu perustuu eliöiden sukulaisuussuhteiden määrittämiseen mm. perimäaineksen avulla.
2. Biologisten tutkimusvälineiden ja -menetelmien kehittyessä eliöiden sukulaisuussuhteista on saatu merkittävästi uutta tietoa, mikä on muuttanut käsitystä eliökunnan rakenteesta. 

• Eliökunnan rakenteen muutos antaakin luontevan mahdollisuuden perehdyttää opiskelijat biologisen tutkimuksen periaatteisiin, kuten tieteellisen tiedon korjautuvuuteen.

• Eliökunnan rakenteen tutkimukseen perehtyminen auttaa opiskelijoita ymmärtämään, että eliöiden luokittelu ei ole vakiintunut, vaan uutta tietoa kertyy koko ajan lisää ja käsitys eliökunnan rakenteesta tulee edelleen muuttumaan.

Eliökunnan rakenteen periaate

• Eliöiden luokittelu perustuu sukulaisuussuhteisiin.

• Eliöiden sukulaisuus määritellään periytyvien ominaisuuksien, kuten geeniperimän samankaltaisuuden, perusteella.

• Eliöiden sukupuussa ei ole tällä hetkellä viruksia, sillä niiden sukulaisuussuhteita tunnettuihin eliöihin tai toisiinsa ei vielä tiedetä riittävän hyvin. On myös kiistanalaista, ovatko virukset eliöitä.

Miten eliöt sijoittuvat sukupuuhun

• Eliöiden karkea sijainti sukupuussa tiedetään nykyään melko hyvin.

• Eliökunnan sukupuussa on kaksi domeenia: arkeonit ja bakteerit (ks: Eliökunnan sukupuu -kuva).

• ---

  On mahdollista, että sukupuussa on kolmaskin domeeni. Monissa geneettisissä tutkimuksissa osa tumattomista muodostaa oman CPR (Candidate Phyla Radiation) -domeeninsa, joka erottuu selkeästi sekä arkeoneista että bakteereista.

• ---

  Tumalliset eliöt kuuluvat arkeoneihin ja siellä asgardarkeonien yhteen alataksoniin (ks: Eliökunnan sukupuu -kuva).

• ---

  Jos bakteerien ja arkeonien taksonit ovat domeeneja, tumalliset eivät ole domeeni, sillä systemaattinen luokittelu on hierarkkinen – toisin sanoen domeeni ei voi olla toisen domeenin sisällä.

Kuva: Heini Lehivuo ja Sari Timonen

Mikrobit eliökunnan sukupuussa

• Vaikka nimetyistä eliöistä suurin osa on paljain silmin nähtäviä makrobeja, koko eliökunnan geneettisestä monimuotoisuudesta suurin osa on mikrobeissa eli paljaalla silmällä näkymättömissä eliöissä.

• Kaikki bakteerit ovat tumattomia mikrobeja.

• Tumalliset kuuluvat asgardarkeoneihin. Muut arkeonien taksonit ovat tumattomia.

• Molempien domeenien jäseniä löytyy kaikkialta maapallolta syvältä maaperästä pintamaihin ja vesistöistä ilmakehään.

• Lisää erilaisia eliöitä löydetään jatkuvasti ja suurin osa uusista eliöistä on mikrobeja.

• Mikrobeista tunnetaan optimistisimpienkin arvioiden mukaan tällä hetkellä alle 10 % – todennäköisesti huomattavasti pienempi osuus.

Tumallisten sukupuu

• Tumalliset ovat yksi arkeonien alataksoni, joka on syntynyt asgardarkeonin ja proteobakteerin endosymbioosin seurauksena.

• Tumallisiin lasketaan kuuluvaksi: 1) onteloiset (ekskavaatit), 2) värirakkulaiset (kromalveolaatit), 3) kasvit ja 4) yksisiimaiset (ks. Tumallisten sukupuu -kuva).

•  Eläimet ja sienet kuuluvat yksisiimaisten sisällä olevaan peräsiimaisten taksoniin.

• Tumalliset eliöt tunnetaan paremmin kuin muut taksonit, mutta erityisesti pienikokoisia uusia tumallisia löytyy jatkuvasti.

• Tumallisten systematiikka eli tumallisten taksoneiden sijoittaminen tietyille taksonitasoille on vielä kesken. Vertaa alla olevia todennäköisiä muutoksia Tumallisten sukupuu -kuvaan: 
  • Systematiikan kehittyessä onteloiset saatetaan jakaa useaan eritasoiseen taksoniin värirakkulaisten tapaan.
  • Kasvien (Archaeplastida) rinnalle samalle taksonitasolle voi tulla toinen taksoni (Cryptista), jolla on kasvien kanssa yhteinen kantamuoto. Tällöin Archaeplastida-Cryptista-taksoni nimetään uudelleen ja kasvit putoavat alemmalle taksonitasolle.
  • Yksisiimaisten luokittelu voi muuttua, koska peräsiimaisten ja amebojen rinnalle voi tulla uusi taksoni, joka on läheisempää sukua peräsiimaisille kuin ameboille.
  • Onteloisten, värirakkulaisten, kasvien ja yksisiimaisten välinen systematiikka on vielä osin epäselvä. Esimerkiksi kasvit ja värirakkulaiset saattavat olla toisilleen läheisempää sukua kuin onteloisille ja yksisiimaisille.

Systematiikan haasteet

• Domeenin ja kunnan väliin jäävien taksonitasojen määrää tai nimiä ei ole vielä täysin määritelty.

• Erityisen ongelmallista on se, että kunta-nimitystä on perinteisesti käytetty huomattavan erilaisille tasoille eliökunnan sukupuuhun sijoittuvista taksoneista.

• Esimerkki perinteisten kuntien eri asemasta sukupuussa:
  • kasvit (yksi tumallisten sukupuun neljästä päähaarasta)
  • eläimet (tumallisiin kuuluvan yksisiimaiset-päähaaran peräsiimaiset-taksonin alataksoni).

• Joissakin tapauksissa on puhuttu superkunnista tai yläkunnista, mutta nämäkään eivät riitä kattamaan esimerkiksi arkeonit-domeenin ja eläinkunnan väliin jäävän usean taksonitason terminologia-aukkoa.

• Eri eliöryhmissä rajanvedot eri taksonitasojen välille tehdään täysin eri tavoin.

• Esimerkki peräsiimaisiin kuuluvien sukujen erilaisesta määrittelystä:
  • sienten saman suvun (Saccharomyces) sisällä on hiivoja, jotka ovat geneettisesti yhtä erilaisia kuin ihminen ja kana (vertailtaessa samojen geenien koodaamien proteiinien aminohappojärjestystä).

Muotoluokat vs. evoluutioon perustuvat taksonit

• Muotoluokat perustuvat ulkonäköön ja/tai elintoimintoihin eivätkä sukulaisuussuhteisiin.

• Osa muotoluokkiin kuuluvista lajeista on läheisempää sukua toiseen muotoluokkaan kuuluvien lajien kanssa kuin joidenkin omaan muotoluokkaan kuuluvien lajien kanssa. 
  • Esim. kalojen muotoluokassa ahven on läheisempää sukua ihmiselle kuin haille, koska ihmisen ja ahvenen yhteinen kantamuoto on kehittynyt vasta sen jälkeen, kun haiden kehityslinja on jo erkaantunut omilleen.

• Esimerkkejä tavallisimmin käytetyistä muotoluokista:
  • levä = fotosynteettinen yksi- tai monisoluinen eliö, löytyy bakteereista, onteloisista, värirakkulaisista ja kasveista
  • home = rihmamaisena kasvava sieni, löytyy useimmista sienten kaarista
  • mikrobi = suurimman osan elämästään paljain silmin näkymättömässä muodossa elävä eliö, löytyy molemmista domeeneista ja kaikista tumallisten sukupuun päähaaroista (onteloiset, värirakkulaiset, kasvit, yksisiimaiset)
  • kala = evällinen selkärankainen eläin (ks. kaavio selkärankaisista eläimistä)
  • matelija = selkärankainen eläin, joka munii ja jolla on suomuinen iho (ks. kaavio selkärankaisista eläimistä)

• Eliöiden ulkoisen rakenteen perusteella annetut vanhat taksoninimet voivat olla ristiriitaisia nykyisen, eliöiden sukulaisuussuhteisiin perustuvan luokittelun näkökulmasta.

• Esimerkkejä taksoneista, joilla on aiempaan luokitteluun perustuvat hämäävät nimet:
  • munasienet eivät ole sieniä vaan kuuluvat värirakkulaisiin
  • limasienet eivät ole sieniä vaan kuuluvat ameboihin
  • tohvelieläimet eivät ole eläimiä vaan kuuluvat värirakkulaisiin

Linnén luokittelu

• Linné sijoitti kuvailemansa eliöt ulkonäön samankaltaisuuteen perustuvaan hierarkkiseen järjestelmään. Linnén järjestelmä ei perustunut eliöiden sukulaisuussuhteisiin, sillä Linnén elinaikana evoluutioteoriaa ei vielä ollut olemassa.

• Tästä huolimatta Linné onnistui sijoittamaan monet tumalliset sukulaistensa kanssa samoihin taksoneihin pelkän rakenteen ja elintoimintojen perusteella.

• Nykyään eliöiden luokittelun perustana käytetään sukulaissuusuhteita ja geneettinen samankaltaisuus on yksi tapa tulkita sukulaisuussuhteita. Kasvien ja eläinten kohdalla ulkoiset rakennepiirteet voivat olla geneettisen samankaltaisuuden ohella luokittelun perustana.

• Sellaisenaan Linnén luokitusta (kivikunta, kasvikunta, eläinkunta) ei muutenkaan voida enää käyttää, sillä suurin osa eliökunnasta jää tämän luokituksen ulkopuolelle.    

• Historiallisista syistä taksonitasosta Phylum käytetään suomen kielessä kasveilla ja sienillä termiä kaari, mutta eläimillä pääjakso. Muissa saman tason taksoneissa päätöstä taksonitason nimestä ei vielä ole tehty.