Sistematik Biyolojiye Giriş Prof. Dr. Hasan H. Başıbüyük Cumhuriyet Üniversitesi Fen Fakültesi Biyoloji Bölümü Sivas

Sistematik Biyoloji Nedir? Doğa bilimlerinin işlevi? Sistematik iki biyolojik bilimi temel alır: Sınıflandırma Evrim

Evrim – Sistematik İlişkisi Canlılar (türler) ortak bir kökenden gelirler Canlılar (türler) zaman içinde değişirler Her canlının bir tarihi vardır: türler evrimsel geçmişlerinin bir ürünüdürler. Mutasyon, genetik sürüklenme, göç (gen akışı), doğal seçilim değişimi sağlayan evrimsel mekanizmalardır.

Sistematik Biyolojinin İşlevi Biyolojik çeşitlilik konusunda detaylı veri bankası oluşturmak Ekosistem hizmetlerinden yaralanmayı sağlamak Doğal kaynakların sürdürülebilir kullanımını sağlamak Küresel ölçekte biyoçeşitliliğin korunması ve politika oluşturmaya yardım etmek Biyolojinin diğer dalları için bilgi sağlamak Evrimsel soruların cevaplandırılmasına yardım etmek

Biyolojik çeşitlilik envanteri

Ekosistem hizmetleri Ekosistem hizmetleri doğal ekosistemlerden sağlanan yararlardır. Doğrudan kullanım hizmetleri (Kereste, balık vb.) Düzenleme (regülasyon) hizmetleri (atmosfer gazları, iklim, su döngüsünün düzenlenmesi) Tamamlayıcı hizmetler (tozlaştırma, biyolojik kontrol vb) Eğlendinlen ve moral hizmetler (estetik, artistik, eğitimsel, bilimsel vb.)

TOPLUM ve ÇEVRE ÇEVRE TOPLUM EKONOMİ Yaşanılabilir kent ve toplum Toplumun tüm bireyleri için daha kaliteli bir yaşam Uzun erimli çevresel uygulamalar TOPLUM Ekonomik gelişme ile sürdürülebilir bir taşıma sistemi kararlı ekonomik büyüme getirir Çevreye zararı düşük yatırımlar Refah yaratan sosyal katılım EKONOMİ

Küresel Ölçekte Biyoçeşitliliğin Korunması Biyolojik Çeşitlilik Sözleşmesi (Rio, 1992) CITES (the Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora) The Convention on Wetlands (Ramsar, Iran, 1971)

Biyolojinin diğer dalları için bilgi sağlamak

Evrimsel soruların cevaplandırılmasına yardım etmek Canlılar kaç alemde (domain) sınıflandırılmalı? HIV’in evrimi Birlikte evrim nasıl sınanabilir? Ökaryotik hücreler nasıl oluşmuştur?

Canlılar kaç alemde (domain) sınıflandırılmalı?

HIV’in kökeni ve evrimi

Birlikte evrim (co-evolution)

Endosimbiyotik teorinin kanıtları Mitokondri proteobacteria ve kloroplast cyanobacteria kökenli

Sistematik Biyolojinin Tarihsel Gelişimi Evrim Teorisinden Önceki Dönem Klasik Yunan ve Roma Dönemi Nedensellik Dönemi (1600-1850) Evrim Teorisinden Sonraki Dönem Yeni Sentez-Yeni Sistematik Hennig devriminden günümüze

Aristo (MÖ 384-322) Türler doğanın bir parçasıdır Sınıflandırması fonksiyonel, ikili ve ampirik Hiyerarşik, öngörücü ve sınıflandırmanın başlangıcı

Theophrastus (371-287) Aristo’nun öğrencisi ve takipçisi De Historia Plantarum adlı eser Botanik alanında bir çok gözlem ve tanım Aristo’nun sınıflandırma biçimini bitkilere uyarlama Narcissus, Crocus, Cornus Plants: Woody trees, shrubs, undershrubs Herbaceous

Diğer Yunan ve Roma Bilginleri Dioscorides (MS 40-90): De Materia Medica’da 600 kadar bitki tanımladı. Bu kaynak 16. yüzyıla kadar birkaç kez çoğaltıldı. Plinius (MS 23-79): Naturalis Historia (160 ciltlik bir eser). Bu günde kullandığımız birçok bitkiye adını verdi. Ör. Populus alba ve Populus nigra Bu yüzden Latince Botaniğin babası olarak anılır.

Albert Magmus 13. YY Alman din adamı, Paris Üniversitesi doktoralı De Vegetabilis (1256) adlı kitabın yazarı Theophrastus sistemini modifiye etmiştir Birçok bitki tanımladı Dikotiledon-monokotiledon Vasküler-vasküler olmayan bitkiler

John Ray (1627-1705) İngiliz doğa bilimci, birçok eser verdi. Taksonomiye en önemli katkısı türü “nihai taksonomik birim” olarak tanımlamasıdır. Methodus Plantarum Nova’da 18.000 bitki türü Hayvan ve bitkileri kapsayan tam bir “doğa sistemi” yayınlamaya çalışmıştır.

Carolus Linneus İsveçli botanikçi, 1707-1778). Species Plantarum (1753) Systema Naturae (1758, 10. Baskı) Klasik ikili (binomial) adlandırmanın ve hiyerarşik sınıflandırmanın kurucusu Modern botanik ve zooloji adlandırma yasalarında etkisi günümüzde de sürmektedir.

Georges-Louis Leclerc de Buffon Fransız doğabilimci (1707-1788) "Histoire Naturelle”nin yazarı Jeolojik ve biyolojik tarih arasında bir bağlantı bulunduğunu zamanına göre radikal olarak ortaya atan kişi. Benzer iklimlere sahip farklı alanlarda (kıtalarda) farklı canlı bileşiminin olduğunu ilk fark eden ve bunu bir biyocoğrafya yasası olarak ortaya atan kişi (Buffon yasası olarak bilinir). Orijin merkezinin kuzey bölgeler olduğunu savunmuştur

Augustine de Candolle İsveçli botanikçi (1778-1841) Théory élémentaire de la botanique (1813) Yeni bir sınıflandırma sistemi ve taksonomi kavramını öneren kişi Öncelik prensibinin öneren kişi Darwin’in doğal seçilim düşüncesini formüle ederken etkilendiği kişi

John Lindley (1799 –1865) İngiliz botanikçi Birçok eseri vardır Sistematik (botanik) terimini ilk kullanan kişi (1830)

Evrim teorisi ve yeni taksonominin doğuşu Charles Darwin: (İngiliz, 1809-1882). Beagle (1831-1836)’da katıldığı gezisi sırasında türler ve varyasyonları üzerine önemli gözlemler yaptı. Dünya’nın değişimi ile biyotanın değişimi arasında ilişki kurdu. Türlerin kökeni (1859) adlı eserinde, türleşme için doğal seçilimi bir mekanizma olarak önerdi

Evrim Teorisinin Gelişimi Fisher (1918, 1922, 1930) doğal seçilimle evrimin Mendel kalıtımı ile uyumlu olduğunu gösterdi

Haldane (1932) populasyon genetiği çalışmalarından hareketle Evrimin Nedenleri üzerine bir kitap yayınladı

Wright (1931) populasyon genetiği çalışmalarını Mendel Populasyonlarının Evrimi başlıklı bir kitap altında topladı

Dobzhansky (1937) populasyon genetiği üzerine yaptığı deneysel çalışmalarını Genetik ve Türlerin Kökeni adlı eserinde topladı

Yeni (Modern) Sentez Huxley (1942). Evrim: Modern Sentez «Öyle ise, evrimsel sentezin temel ögeleri: bir popülasyonda mutasyon ve rekombinasyonla rasgele açığa çıkan genetik çeşitlilik; bu populasyonun gen frekansının, genetik sürüklenme, gen akışı (göç) ve özellikle doğal seçilim yoluyla değişerek evrimleşmesi; en uyumsal genetik varyantların küçük bir fenotipik etkiye sahip olmaları nedeniyle fenotipik değişimlerin kademeli gerçekleşmesi; böylelikle populasyonların (….) giderek farklılaşması ve türleşme; ve eğer bu süreç yeteri kadar uzun sürerse, yüksek taksonomik kategorilerin (cinsler, familyalar ve diğerleri) ortaya çıkmasını (…) " [Futuyma, D.J. 1986. Evolutionary Biology (2nd ed.). Sinauer Associates, Sunderland, Massachusetts] Huxley (1942). Evrim: Modern Sentez Mayr (1942) Sistematik ve Türlerin Kökeni

Yeni Sentez’den Kladistiğe Evrimsel Taksonomi Nümerik Taksonomi (Fenetik) Filogenetik Sistematik (Kladistik) Çok-Önemi-Yok-Okulu [the It-Doesn't-Matter-Very-Much school (Felsenstein 2004)]

Sınıflandırmanın genel prensipleri (Mayr ve Ashlock 1991) Sınıflanacak öğeler mümkün olan en homojen kümelere ayrılır Bir kümeye konulan her hangi bir eleman diğer kümelere göre bu kümenin en fazla özelliğini paylaşır Ayrı küme olarak gruplanan her hangi bir kümenin bir elemanı başka bir kümeye giremeyecek kadar diğer küme elemanlarından farklıdır Gruplar arasındaki farklılığın derecesine göre bir hiyerarşik düzenleme yapılabilir ve her kategorik düzey farklılığın belli bir derecesine karşılık gelir

Nesnelerin sınıflandırılmasına hipotetik bir örnek Değişik boy, renk, içerik vb. kitaplarımız olsun Küçük A Kırmızı A Roman A B B D G C B Orta Mavi Şiir D D D E E Büyük F Yeşil C Bilim F F G C G

Doğal Sınıflandırma-Doğal Takson Doğal takson etrafta onları bulup tanımlayacak bir sistematikçinin varlığına bağlı olmaksızın, bizlerin iradesi dışında zaten var olan taksondur Doğada zaten var olduklarından icat edilmezler, sadece keşfedilebilirler Doğal taksonlar doğal süreçlerle oluştukları için bu süreçlerle uyumlu olmalıdırlar

Yaklaşık 3.8 Milyar yıl önce

Yaklaşık 3.8 Milyar yıl önce

Evrimsel süreçler: mutasyon, doğal seçilim, genetik sürüklenme ve göç Günümüz F Z a m a n 3.8 milyar yıl Evrimsel süreçler: mutasyon, doğal seçilim, genetik sürüklenme ve göç

Doğal taksonlar ve evrim teorisinin genel kabulleri Tüm canlılık ortak bir atadan evrimleşmiştir Canlılar çeşitli süreçler altında, zaman içinde değişir

Hangi kriterler kullanılmalı ve sınıflandırma hangi temele oturmalı Benzerlik yada farklılıklar Ortak ata ilişkisi Sınıflandırma = Filogeni Sınıflandırma  Filogeni

Evrimsel Taksonomi (Mayr & Simpson ekolü) Fenetikçilere benzer olarak, atasal karakterler de sınıflamada kullanırlar Sınıflandırmada bir taksonun monofiletik olması gerekli fakat zorunlu değildir Bir taksona evrimsel olarak en yakın diğer bir grup (kardeş grup-sister group) her zaman aynı düzeydeki taksonomik kategoriyi işgal etmeyebilir Parafiletik taksonlarda sınıflandırmada geçerli gruplardır.

Nümerik Taksonomi (Fenetik) (Sneath & Sokal ekolü) Sınıflandırma, filogeniden ayrı bir olgu olup kararlı ve objektif olması esastır. Bir bilgi sistemi olarak kararlı ve objektif bir sınıflandırmaya ancak benzerlik (farklılık) temelinde mümkün olduğunca fazla sayıda (>60) karakterin karşılaştırılması ile ulaşılabilir. Sınıflandırmada her bir karakter eşit ağırlığa sahip olmalıdır; atasal (primitif) ile gelişmiş karakterlerin sınıflandırmadaki ağırlıkları eşittir. İyi yada kötü karakter yargısı subjektiftir Filogenetik hikaye, bir grubun taksonomik yapısı ve karakter korelasyonundan anlaşılabilir Taksonomi araştırıcı yargısından bağımsız ampirik bir bilim olmalıdır.

Filogenetik Sistematik (Kladistik) (Hennig, 1953, 1956) Sınıflandırma filogeni temelinde olmalıdır Biyolojik çeşitlilik arasındaki ortak ata ilişkisi doğal bir sınıflandırma sitemi sunar ve taksonların sınırlarını belirler Taksonlar arasında ortak ata ilişkisi konusunda bilgi verici karakterler paylaşılan türemiş karakter, yani apomorfilerdir. Atasal karakterler (plesiomorfi) sınıflandırmada kullanılamazlar Sınıflandırmada geçerli takson monofiletik olmalıdır. Parafiletik ya da Polifiletik taksonlar geçersizdir.

Üç ekolün geçerli takson görüşü Alternatif geçerli gruplar: Evrimsel taksonomi I, II ve IV. gruplamayı geçerli görür. Hennigçi Fiologenetik sistematik sadece I; Fenetik ise benzerliğin derecesine bağlı olarak tüm diğerleri yanında III.’e de izin verir

Dördüncü ekol/Joe Felsenstein: Inferring Phylogenies (2004) “Bir filogenetikçi ve bir evrimsel sistematikçi aynı filogeniyi kullanarak oldukça farklı sınıflandırmalar yapabilirler. Eğer diğer biyologlar tarafından kullanılan bu aynı filogeni ise, nasıl sınıflandırmak gerektiği konusundaki farklılıkları önemli olmayabilir. Ben böylelikle dördüncü büyük bir ekol bulduğumu duyuruyorum: Çok-önemi-yok-ekolü=the It-Doesn't-Matter-Very-Much school [2004: 145].

Sistematik Biyolojinin Kapsamı SINIFLANDIRMA (Taksonomi =?Sistematik) Tanımlama, Adlandırma ve Sınıflandırma Zoolojik, Botanik, Bakteri, Filogenetik Adlandırma Yasaları EVRİM Biyolojik çeşitlilik (türler) Evrimsel Tarihlerin Ürünleridirler Biyolojik örnek-karşılaştırmalı biyoloji-teori

Taksonomi-Sistematik Taksonomi: Yeni taksonlar tanımlama (identification) ve isimlendirme (nomenclature) ve taksonları bir sistem içerisinde düzenleme (classification) bilimidir. Sistematik: Daha geniş bir alan olup sadece biyolojik çeşitliliği belli bir sistem içerisinde düzenlemekle yetinmez. Bunun yanında biyolojik çeşitliliğin ‘nasıl’ ve ‘niçin’ evrimleştiği sorularına ve aralarındaki evrimsel akrabalık ilişkisine de cevap arar.

Taksonominin İşlevi Tanımlama (Identification): Bir organizmanın ne olduğunu anlamaya çalışmak, taksonomik kimliğini belirlemektir. Betim (Deskripsiyon): Bir taksona ait olan neredeyse tüm karakterlerin, diğer eş düzeydeki taksondan ayırt edici veya taksonun sınırlarını belirleyici olup olmamasına bakılmaksızın tanımlanması. Adlandırma (Nomenklatür): Tanımlanan taksonlara adlandırma yasaları altında formel olarak ad vermektir. Sınıflandırma (Classification): Taksonların hiyererşik düzen içerisinde gruplandırılması.

Sistematik Sistematik (Filogenetik sistematik) tür gruplarını ortak evrimsel kökenlerine göre birimlere yerleştirir. Karakter varyasyonu ortak kökeni tanımlamak için kullanılır. Bir takson olarak sistemde tanınır olması için “evrimsel bağımsızlığını” gösteren karakterlere sahip olması gerekir.

Sistematik Biliminin Beslendiği Kaynaklar Evrim Moleküler Biyoloji Genetik Ekoloji Biyocoğrafya Jeoloji Paleontoloji Bilgisayar Teknolojileri Biyoinformatik

Nereden ve Nasıl Başlanmalı? Problem Tanımlama Takson ve Alan Seçimi Hipotezlerin Kurulması Verinin Toplanması Uzman ve Koleksiyon Ziyareti Verinin İşlenmesi Sonuçların yorumlanması ve raporlanması

Problem tanımlama Çalışmanın amacı, hangi problemi nasıl çözeceği veya katkı sağlayacağı, ulaşılmak istenen hedefler, beklenen sonuçlar………….

Takson ve alan seçimi Hangi takson? Hangi alan? Biyocoğrafik-filogenetik-ekolojik bir kapsamda düşünüldü mü?

Hipotezlerin kurulması Çalışmanın bir bilimsel hipotezi var mı? Yapılacak çalışmada sınanması planlanan hipotezler açık olarak tanımlanmalıdır. Bu hipotezlerin sınanması için uygun yöntemler tanımlanmalıdır. Projelerde iki yaygın yanlış: «moleküler veri» ve «filogeni»

Verinin üretilmesi Arazi çalışmaları her özgün çalışmaya göre planlanmalı; Toplanan örneklerin bir serisinin gelecek çalışmalar için saklanması hedeflenmeli; Toplanan örneklerin karakter analizleri (moleküler, morfolojik vb.) yapılmalı; Çalışmaya uygun karakterlerin karşılaştırılabilir bir veri tabanı oluşturulmalıdır.

Uzman ve koleksiyon ziyareti Uluslar arası tanınırlığı olan müze ve koleksiyonlar başta olmak üzere, ilgili grupla çalışan uzman ve koleksiyonlar tanımlamaları doğrulamak ve karşılaştırma yapmak amacıyla ziyaret edilmelidir.

Verinin işlenmesi Veri seti faklı amaçlara göre farklı şekillerde işlenebilir ve analiz edilebilir: Tür tanımlamak Takson sınırlarını belirlemek Filogeni Filocoğrafya Biyocoğrafya

Sonuçların yorumlanması ve raporlanması Sonuçların mümkün olduğunca biyocoğrafya, ekoloji, biyoçeşitlilik, filogeni, koruma biyolojisi vb. bir bağlam içinde tartışılması ve yorumlanması; Sonuçların bilimsel bir rapor haline getirilmesi veya nitelikli bir dergide yayınlanması hedeflenmelidir.

Nereden nereye? Kod, PhyloCode, Biocode (2011) Morfolojiden moleküler barkodlamaya Türden klada …..den filogeniye …… it does not matter very much

Günümüzde sistematiğe yüklenen işlev Sistematik Ajanda 2000 (SA2K)’nin üç ilişkili hedefi: (1) küresel tür çeşitliliğini keşfetmek, tanımlamak ve envanterini yapmak; (2) bu küresel keşif çalışmalarından elde edilen bilgiyi analiz ederek ve sentezleyerek yaşam tarihini yansıtan öngörülebilir bir sınıflandırma sistemine dönüştürmek; (3) bu küresel programdan edinilen bilgiyi bilimin ve toplumun en iyi yararlanabileceği şekilde hizmetine sunmak Yirmi yıl önceki hedefler halen geçerliliğini korumaktadır.

Gelecekte sistematiğe yüklenen işlev Ajanda 2020 hedeflerinin ilk ikisi aynıdır. Hedef 3. Biyoçeşitliliğin kökeni, sürdürülmesi ve kayıbına ilişkin evrimsel süreçleri anlamayı, Hedef 4. ise bu bilgiyi bilim ve toplumda yaygınlaştırmayı öngörmektedir.

Gelecek Perspektifi Veri üretme yöntemlerinde hızlı gelişmeler Veri analiz yaklaşım ve yöntemlerinde hızlı gelişmeler Siber dünya, bilişim teknolojileri Sanal kütüphane, sanal müze Kolay tür teşhisi

Okulun Kuramsal Dersleri Sınıflandırmanın İlke ve Uygulamaları Adlandırmanın İlke ve Uygulamaları Sistematiğin Temel Enstrümanı: Karakterler Fenetik Analiz Yöntemleri Filogeni ve Güncel Analiz Yöntemleri Tür Kavramları, Türleşme ve Tür Taksonu Tür Tanımlamada Güncel Yaklaşımlar Mikrobiyal Çeşitliliğin Karakterizasyonunda Metagenomik Yaklaşımlar Populasyon Genetiği ve Genetik Varyasyon Filocoğrafya:  Güncel Yaklaşımlar ve Analiz Yöntemleri

Okulun Uygulamalı Dersleri UYGULAMA 1: Farklı Kaynak Dokulardan DNA İzolasyon Yöntemleri UYGULAMA 2: DNA'nın in vitro Çoğaltımı (PZR Uygulaması) UYGULAMA 3: Elektroforez Uygulamaları UYGULAMA 4: Dizileme Reaksiyonu için Örnek Hazırlama UYGULAMA 5: Biyoinformatik Uygulamalar için Veri Setlerinin Oluşturulması UYGULAMA 6: Geometrik Morfometri Analizleri UYGULAMA 7: Filogenetik Analizler UYGULAMA 8: Tür Sınırlarının Belirlenmesine Yönelik Uygulamalar UYGULAMA 9: Mikrobiyal Çeşitliliğin Belirlenmesine Yönelik Uygulamalar UYGULAMA 10: Populasyon Genetiği Analizleri UYGULAMA 11: Coğrafik Genetik ve Filocoğrafya Analizleri

Teşekkür Yaz Okulu’nun bilimsel danışma kurulunda yer alarak katkı sunan ve ders vermeyi kabul eden bütün meslektaşlarıma; Düzenleme kurulunda yer alan ve işlerin büyük çoğunu bana ihtiyaç olmadan yürüten; ayrıca uygulama kısmının sorumluluğunu büyük ölçüde yüklenen Cumhuriyet Üniversitesi ekibine sizler adına teşekkür ederim. Yaz Okulu Programımızı Desteklemeyen TÜBİTAK’a sizler adına teessüflerimi sunarım.

TÜBİTAK PANEL RAPORU Uydurulan ret gerekçeleri: Kurs kapsamlı-süre yetersiz Uygulama yetersiz Sadece 20 üniversiteden katılım var Sadece 7 üniversiteden hoca ders veriyor “Her şey iyi de beni bu etkinliğe neden katmadınız”