Biologisk systematikk

Systematikk (systematisk biologi) er læren om det biologiske mangfoldet og hvordan det er ordnet. Systematikkens hovedoppgave er å systematisere menneskets kunnskap om organismer, og å forenkle tilgangen til denne kunnskapen, ved å sette organismer i et system av hierarkiske grupper.
Begrepene klassifikasjon og spesielt taksonomi brukes ofte som synonymer for systematikk. De har imidlertid også mer begrensede betydninger (se under).

Systematisk metode

Hadde det bare eksistert et dusin ulike arter, hadde man neppe trengt systematikk.
Men kunnskap om millioner av arter forutsetter at arter kan «settes i bås». Ellers mister man rett og slett oversikten. «Båsene» som brukes i den biologiske systematikken kalles for taksa eller helt enkelt grupper. Disse «båsene»/gruppene må være hierarkisk organisert, dvs. et system med «båser i båser», slik at hver art får en entydig plassering i systemet. Dette oppnås ved at man unngår grupper som delvis overlapper. Hver gruppe inkluderer en eller flere mindre grupper, og kan selv være inkludert i en større gruppe.
Skrittene på veien til et biologisk system kan inneholde opptil seks ulike aktiviteter (ikke alle er påkrevd):

1. Innsamling

Det å samle inn materiale i felten er ofte det første skrittet. Opplysningstidens lærde bidro med sine plante- og dyresamlinger sterkt til den oversikten vi i dag har over plante- og dyreverdenen. Men tokter og innsamlingsarbeid hører den dag i dag til arbeidsoppgavene til en systematiker. Hvert funn dokumenteres med nøyaktig funnsted, dato og eventuelt andre relevante detaljer, som vær, vegetasjon, jordsmonn eller lignende.

2. Konservering

Innsamlet materiale må bevares for fremtidens forskere. Dette skjer i naturhistoriske samlinger som er tilknyttet museer. Materialet som ble samlet inn, blir på ulike måter konservert, dvs. gjort holdbare: Planter kan bli presset, dyr bli lagt på sprit eller formalin eller stoppet ut, osv. Hver nye art som blir beskrevet, blir knyttet til ett spesifikt eksemplar, ett typuseksemplarer. Typene danner grunnlaget for det videre systematiske arbeidet. De er derfor tilgjengelige for andre vitenskapsfolk gjennom muligheter for en form for fjernlån. Sikker oppbevaring, systematisering og tilgjengeliggjøring av konserverte eksemplarer hører til de naturhistoriske samlingenes viktigste oppgaver. Utstillingene i publikumsavdelingen viser til enhver tid kun et bittelite utvalg av det som fins i museets magasiner og kun unntaksvis typeeksemplarer.

3. Fylogenetikk

Fylogenetikkens oppgave er å rekonstruere organismenes slektskapsforhold («livets tre»). Dette er i dag en viktig del av systematikken, men det har ikke alltid vært slik.
For det første forutsetter en rekonstruksjon av organismenes stamtre at denne i det hele tatt fins. Det må med andre ord ha funnet sted og finne sted evolusjon. Den allmenne innsikten av at evolusjon finner sted, ble imidlertid ikke allment akseptert før på 1800-tallet (se evolusjonsteori). Systematikken som vitenskap er derimot mye eldre enn dette.
For det andre kan man godt bygge en systematikk på andre kriterier enn evolusjonær slektskap, selv om man ikke betviler evolusjon. Dette illustreres bl.a. av 1950-talles numeriske systematikk (se under).
Hovedgrunnen for å bruke evolusjonær slektskap er at systemet dermed automatisk blir hierarkisk. Men klarer seg med andre ord med ett eneste kriterium, nemlig slektskap. Alternativt måtte man ha funnet på et nytt kriterium på hvert trinn i systemet, som f.eks. i Linnés seksualsystem (se under). Dessuten blir organismer bedre sammenlignbare når de grupperes sammen med slektninger. Man ser f.eks. lettere om lignende egenskaper hos to arter virkelig er «identiske» (dvs. homologe), eller om de bare ligner tilsynelatende (dvs. er analoge).
Fylogenetikken er den eneste av de seks systematiske aktivitetene som er vitenskapelig i egentlig forstand. Det betyr ikke nødvendigvis at de andre er mindre viktige. Men fylogenetikken er den eneste delen av systematikken hvis resultater er overprøvbare. Se fylogenetikk for metodene som brukes i stamtrerekonstruksjonen.

4. Klassifikasjon

Klassifikasjonens oppgave er å sammenfatte organismer til grupper. Å sammenfatte enfrøbladete og tofrøbladete planter til blomsterplanter, eller å sammenfatte broøgler, krokodiller, skilpadder og skjellkrypdyr til krypdyr, er eksempler på klassifikasjon. Disse gruppene kan, men trenger ikke å gjenspeile slektskap. (Se gruppe for mer informasjon.)
Mange systematikere hopper over klassifikasjon i dag, fordi et system som utelukkende bygger på slektskap «definerer gruppene selv»: Kjenner man til stamtreet, trenger man ikke å definere grupper, fordi man allerede har oppdaget dem. Hver gren i stamtreet tilsvarer en gruppe. I grupper med usikkert stamtre er klassisk klassifikasjon fortsatt framherskende.

5. Nomenklatur

Nomenklaturens oppgave er å gi vitenskapelige navn til gruppene. Dette trengs for å kunne kommunisere entydig med kollegaer, også på tvers av landegrenser.

6. Taksonomi

Taksonomiens oppgave er å dele ut kategorier til noen av gruppene. Kategorier er begrepene «klasse», «orden», «familie», «slekt» osv. Disse kan tildeles noen av gruppene. Man kan f.eks. velge å kalle enfrøbladete planter og krypdyr «klasser». (Se kategori for mer informasjon.)

Boks i boks

Det Linnéiske systemet bygger på at hver enhet har en rekke underenheter under seg. Linné selv så for seg at fem var det ideelle tallet: En slekt burde ha fem arter, en familie fem slekter og så videre. Dette viste seg å ikke fungere, men ideen bak, at arter kan samles i slekter og slekter i familier, viste seg hensiktsmessig. Grunnen til dette ligger i måten arter oppstår på.

Avbrutt likevekt

Dersom stamtreet til organismer var en jevn busk, der greiner splittet seg vilkårlig ville et Linnéisk system være lite hensiktsmessig. I virkeligheten er denne formen for artsdannelse relativt sjelden. I stedet foregår artsdannelse i sprang: Arter og grupper av arter gjennomgår ofte runder med rask artsdannelse (såkalt diversifisering eller radiasjon), etterfulgt av lange perioder der de nye artene utvikler seg lite. Denne formen for evolusjon kalles avbrutt likevekt (Punctuated equilibrium) og ble beskrevet av Eldridge og Gould i 1972.
Slike perioder med ekstrem artsdannelse skjer gjerne etter store naturkatastrofer eller ettersom organismer blir i stand til å nyttegjøre seg nye områder og nye nisjer dukker opp. Eksempler på slike perioder er da de første landplantene dukket opp i silur og overgangen mellom paleozoicum og mesozoikum.

Fra diversifisering til enheter

Slike perioder med stor artsdannelse gir ofte opphav til systematiske enheter. I devon medførte framveksten av de første karplantene til at store økosystemer åpnet seg på landjorda. I denne perioden dukket de første panserpaddene opp, de mandibulate klassene av landlevende leddyr utviklet seg (edderkoppdyrene hadde hatt en tilsvarende radiasjon i forrige periode) og alle større grupper av planter (kråkefot, sneller, bregner og de første frøplantene) dukket opp. Alle disse utgjør systematiske enheter på nivå med klasse. Tilsvarende radiasjoner senere har gitt opphav til ordner og familier.
Naturlig nok vil ikke alle grupperinger la seg like lett presse inn i et slikt system. Enhver systematikk som likestiller store grupper av organismer som klasser, ordner og familier vil nødvendigvis måtte skje med en del tillempinger. Etter hvert som fylogenetikken har begynt å klargjøre detaljene i stamtrærne, ønsker mange å gå bort fra formelle grupper som klasse og orden. I dag blir kategorier brukt i mindre og mindre grad av forskere som jobber med fylogenetikk fordi det ikke finnes noen entydige kriterier for hvilken gruppe som skal få hvilken kategori. I noen tilfeller er dette en vilkårlig overenskomst. Kategoriene i seg selv inneholder ingen informasjon. Det er f.eks. ikke noe trekk som enfrøbladete planter og krypdyr har til felles, som gjør at nettopp de må kalles «klasser» (heller enn f.eks. blomsterplanter og krokodiller). Likevel brukes det grunnleggende systemet fra Linné fortsatt fordi det gir en enkel og god oversikt.

Systematikkens historie

Systematikk har blitt bedrevet til alle tider. Man kan tenke seg at den første formen for systematikk delte organismene inn i grupper som «spiselige planter», «giftige planter», «helbredende planter», «spiselige dyr», «farlige dyr», «resterende livsformer». Dette har lite å gjøre med gruppene man opererer med i dagens systematikk, men er likefull resultatet av en systematiserende inndeling.

Tidlig systematikk

De tidligste vitenskapelige systemene av livsformer stammer fra den greske filosofen Aristoteles, som delte livsformer inn etter deres egenskaper i arter og slekter. Videre delte han Dyreriket inn i «dyr med og uten blod», det vi i dag ville kalle invertebrater og virveldyr. I renessansen ble antall kjente arter sterkt utvidet, særlig gjennom arbeidene til sveitseren Conrad Gessner, som også var en av de første til å publisere arbeider om fossiler.
Den store trafikken med båter mellom kontinentene i oppdagelsestiden fra 1600-tallet og framover førte til at mange fremmede arter nådde Europa. På siste halvdel 1600-tallet og begynnelsen av 1700-tallet ble det innledet grundige studier studie av planter og dyr, særlig med henblikk på deres mulige nytteverdi. Anatomer og leger som William Harvey,  Robert Hooke, Marcello Malpighi og Jan Swammerdam gjore store framskritt innenfor anatomi på denne tiden, som hjelp til å bedre forståelsen av dyrenes systematikk. Innenfor botanikken gjorde den engelske naturviteren John Ray tilsvarende viktige arbeider innenfor det som den gang ble kalt naturteologi. Hans klassifisering av planter i sin Historia Plantarum var et viktig steg mot moderne taksonomi. Ray var den første som gav en biologisk definisjon av begrepet art og forkastet oppdelingen av arter i henhold til forutbestemte kriterier, og klassifiserte i stedet planter etter likheter og forskjeller mellom de forskjellige artene som han selv kunne se.

1800- og 1900-tallet

Allerede på slutten av 17oo-tallet var det flere naturvitere som tvilte på at artene var uforanderlige slik Linné hadde antatt. Ideen om at Linnés system kunne omsettes til et slags stamtavler for dyre- og Planteriket ble formulert før århundreskiftet. Transmutasjon av arter ble forfektet av blant annet Erasmus Darwins i hans Zoönomia fra 1796 og av Jean-Baptiste Lamarcks i Philosophie Zoologique fra 1809. I de engelskstalende delene av verden ble tanken først og fremst gjort kjent gjennom den spekulative, men svært mye leste Vestiges of the Natural History of Creation, utgitt anonymt av journalisten Robert Chambers i 1844. Med utgivelsen av Charles Darwins bok Artenes opprinnelse i 1859 teori fikk ideen om et stamtre for alt levende også en teoretisk underbyggning.
Etter hvert som fossiler ble stadig bedre kjent på slutten av 1800- og begynnelsen av 1900-tallet, begynte arbeidet med å rekonstruere dyre- og planterikets historie ved å lenke sammen kjente levende og utdødde grupper. Darwins venn Thomas Huxley var en av de første som knyttet sammen grupper på denne måten da han fastslo at fugler stammer fra dinosaurer på grunnlag av fossilfunn av urfuglen Archaeopteryx. Ideen om at grupper «stammer fra» eller er «utviklet fra», eventuelt «har gitt opphav til» eller «er forløpere for» er typiske for denne måten å forstå systematikk på. Ved den «moderne syntesen» på slutten av 1940-tallet var en i alle hovedtrekk moderne forståelse av utviklingen av de store gruppene på plass, og la grunnlagt for «evolusjonær systematikk» eller «darwinistisk systematikk» slik vi kjenner den i dag.

Systematikk i dag

I løpet av andre halvdel av 1900-tallet økte kunnskapen om detaljene i livets dramatisk. Med stadig bedre instrumenter og særlig med innføringen datamaskiner med stor regnekraft på 1970-tallet og senere effektive metoder for DNA-sekvensering på 1980-tallet utviklet det seg flere retninger innenfor systematikken med til dels høylytte debatter mellom de forskjellige skolene:

Numerisk systematikk

Numerisk systematikk oppsto som retning særlig innenfor botanikken på 1950-tallet, men fikk først sitt store oppsving på 1970-tallet. Den bygget på fenetikk, en matematisk modell for å beregne likheter mellom artene, uavhengig av om disse likhetene skyldtes felles opphav eller ikke. Modellen er basert på datamaskiners evne til å løse større tallmatriser som kan representere titals forskjellige egenskaper hos et tilsvarende antall arter. Sterkeste ankepunkt som ble rettet mot den rene numeriske systematikken var at system og stamtre ofte ikke vil være sammenfallende fordi man ser bort fra fylogenetikk. Likevel er rene numeriske metoder fortsatt noen ganger i bruk der man har uoversiktlige artskomplekser som eller vil være vanskelige å få orden på, eller for å skille arter.

Fylogenetisk systematikk

Fylogenetiske systematikk bygger på arbeidene til den tyske entomologen Willi Hennig, som på 1950-tallet tok til ordet for at systematikken skulle defineres kun utfra det evolusjonære slektskapet mellom artene. Hennigs prinsipper ble i stor grad glemt fram til datamaskiner som var i stand til å beregne fylogenetiske trær basert på DNA-analyser så dagens lys på begynnelsen av 1980-tallet. Denne metoden kalles kladistikk, og er basert på å sammenlikne alle tenkelige kombinasjoner av stamtrær (kalt kladogram) og finne det statistisk mest sannsynlige treet gitt en serie egenskaper for de aktuelle artene. Siden kladistikk er en statistisk metode, må trærne den produserer sees på som hypoteser og ikke endelige trær. Trærne blir imidlertid ekstremt detaljerte. Resultatet var at mange valgte å følge Hennigs forslag om kunn å bruke trærnes greining for å definere grupper og droppet kategorier, i stedte for å knytte grupper til egenskaper slik som i den evolusjonære systematikken. Fordelen med fylogenetisk systematikk er at system og stamtre vil være identiske, ulempen er at systematikken blir lite oversiktelig fordi det ikke inneholder noen form for biologisk klassifikasjon.

Evolusjonær systematikk

Den «tradisjonelle» systematikken fra før Darwins tid ble omdøpt til evolusjonær systematikk og skal bygge på både slektskap og likheter mellom artene. Det vil si at både fylogenetikk og klassifikasjon blir gjennomført (se over). System og stamtre vil dermed ikke være helt sammenfallende.
Dette gjør at biologer i økende grad etterspør stamtrær heller enn systemer (se også komparativ biologi). Fylogenetisk sytematikk har dermed blitt den rådende gren av systematikken. Tilsvarende har betydningen og bruk av klassifikasjon og kategorier avtatt som systematisk disiplin.
Selv om de fleste systematikere i dag hører til den fylogenetiske skolen, brukes klassiske evolusjonær systematikk og nomenklatur ofte i andre grener av biologien, paleontologien, populærvitenskapelige presentasjoner, inkludert lærebøker og leksika. Dette skyldes at mens fylogenetisk tilnærming lager sirlige stamtrær, lager nomenklaturen sirlige, lett oversiktlige lister. Dessverre innebærer dette at enkelte ord og uttrykk brukes forskjellig i forskjellige sammenhenger, og man kan ikke stole på at grupper som nevnes i nomenklatur eller evolusjonær systematisk forstand faktisk er en naturlig, reelt eksisterende slektskapsgruppe.

Eksempler

Se de enkelte organismegrupper (f.eks. liv, dyr, leddyr, virveldyr, sopp osv.) for deres systematikk. Under illustreres systematikkens arbeidsmåte med to eksempler, krypdyr og blomsterplanter:

Ikke-systematisk gruppe

Ei ikke-systematisk gruppe er ei polyfyletisk gruppe og kan hevdes å være motsatsen til ei systematisk gruppe. Ikke alle grupper er naturlige, altså i den grad at medlemmene som inngår i gruppen ikke naturlig danner noen eller har noen systematisk enhet. De trenger altså ikke være beslektet, eller spesielt nært beslektet. Et par eksempler er ørner og glenter. Dette er rovfugler som er beslektet, men de inngår i mange forskjellig grupper, sammen med flere andre typer. En ørn kan for eksempel være mye nærmere beslektet med ei glente enn med andre ørner og omvendt. Et annet eksempel er apekatter, som består av både søramerikanske vestaper og asiatiske og afrikanske dyreaper, som bare er fjert beslektet med hverandre.