ДОМЕН НА ARCHAEA: ПРОИЗХОД, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАСИФИКАЦИЯ, ХРАНЕНЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

В областта архибактерии или архибактерии царство представлява една от трите области на живота. Той е съставен от микроскопични едноклетъчни прокариотни организми, много сходни и в същото време много различни от бактериите и еукариотите в много отношения.

Съществуването на тази група бе демонстрирано преди малко, повече или по-малко в края на 70-те години, от група изследователи, ръководени от Карл Уийз, които смятат, че животът може да бъде разделен на еукариоти и два вида прокариотни организми: бактерии и архея, наричана още архебактерии.

„Сутрешна слава“ горещи извори в Националния парк Йелоустоун, САЩ, чийто цвят е даден от архея (Източник: ZYjacklin чрез Wikimedia Commons) Проучванията на Уорс и сътрудниците се основават на сравнителни филогенетични анализи между рибозомните РНК последователности на всички живи същества и представата за трите домена се поддържа, въпреки огромното количество последователности, които продължават да се добавят към рибозомните РНК каталози (бази данни).

Тези проучвания успяха да видят възможността археите да са сестринска група с еукариотите, въпреки приликите с техните прокариотни колеги (бактерии), така че те могат да представляват „липсващата връзка“ между прокариотите и еукариотите.

Въпреки че са малко тези, които са посветени на изучаването на археи и тази група е доста игнорирана от много студенти по биология, смята се, че тези микроорганизми представляват повече от 20% от всички прокариоти, съществуващи в океанските води, между 1 и 1 5% в почвите и най-доминиращата група в морските утайки и геотермалните местообитания.

В допълнение, археите се характеризират с това, че живеят в "екстремни" условия като горещи извори, физиологичен разтвор, среда с много високи температури и много киселинно pH, негостоприемни места, където концентрацията на кислород е много ниска или нулева и т.н.

Тези микроорганизми имат голямо екологично значение, тъй като участват в много от биогеохимичните цикли, допринасяйки например за въглеродния, азотния и серен цикъл.

Еволюционен произход и филогенетични връзки

Има три теории за възможния произход на трите области на живота, предложени от Уийз и колеги:

1. Първо бактериите се разминават, образувайки родословие, което произвежда археи и еукариоти.
2. "Прото-еукариотен" род се различава от напълно прокариотичен род (този на бактерии и археи)
3. Архея се разминава от родословие, което по-късно поражда еукариоти и бактерии

През 1989 г. двама изследователи, Gogarten и Iwabe, независимо предложиха начин да се анализират всички живи организми филогенетично (което е невъзможно да се направи от проучвания на единични генни последователности).

Iwabe използва анализа на последователностите на гени, произведени при "ранни" събития на дублиране на гени, "вкореняване" на дървото на живота от сравнението на последователността на паралогичните гени, кодиращи фактори на удължаване.

Факторите на удължаване са GTP-свързващи протеини, които участват в транслацията, по-специално в свързването на амиоацилирани трансферни РНК молекули към рибозоми и в транслокацията на пептидил-трансферната РНК.

Според резултатите от сравненията между последователностите на трите групи, гените, които кодират факторите на удължаване в археите, са по-сходни с тези на еукариотните организми, отколкото на тези на бактериите.

Дървото на живота (Източник: Файл: Свитите етикети на дърветата са опростени.png Оригиналният качител беше TimVickers от английската Wikipedia. Превод на галисийски от Елисардом чрез Wikimedia Commons) Гогартен, от друга страна, сравнява последователностите на други гени, произведени от събития на дублиране, по-специално на онези, които кодират за подразделения тип V и тип F на ензима ATPase, открити съответно в археи / еукариоти и бактерии.

Резултатите, получени от Gogarten, като тези, отбелязани по-горе, демонстрират, че тези гени в археите (които вероятно са възникнали в резултат на генетично дублиране) са по-тясно свързани с еукариотите, отколкото с техните бактериални колеги.

Тези аргументи бяха подкрепени и от анализа, проведен от други изследователи много години по-късно, които използваха последователности от друго семейство от дублирани гени, тази на аминоацил синтетазите пренасят РНК, засилвайки представата за „близостта“ между археите и еукариотите.

Дървото на Уойс

Дървото на живота на Уойс

Уийз използва анализите, проведени от Gogarten и Iwabe, както и други изследвания, свързани с рибозомните РНК последователности, за да предложи неговата „версия“ на дървото на живота, където става очевидно, че археите и еукариотите представляват „сестрински“ групи, отделно от бактерии, въпреки че рибозомните РНК последователности между археите и бактериите са по-подобни една на друга.

Общи характеристики на областта archaea

Археите са известни с някои много специфични характеристики (свои собствени), а също и с представяне на "комбинации" от характеристики, за които някога се е смятало, че са изключителни за бактерии или еукариотни организми.

- Подобно на бактериите, археите са прокариотни организми, тоест вътре генетичният материал не е затворен от мембрана (те нямат ядро) и няма мембранозни цитоплазмени органели.

- Като цяло те са микроорганизми с подобен размер на бактериите, тяхната ДНК е под формата на кръгова хромозома и някои по-малки кръгли фрагменти, известни като плазмиди.

- Те споделят наличието на сходни ензими топоизомераза и гираза с бактерии, което представлява „косвени“ доказателства за „близостта“ по отношение на хромозомната структура на двете групи организми.

- Въпреки това, гените на археите показват голяма хомология с много еукариотни гени, особено тези, чието откритие произтича от проучвания с антибиотици.

- Машината за репликация, транскрипция и транслация на еукариоти и археи е много сходна, особено що се отнася до ензима ДНК полимераза.

- Техните гени, кодиращи протеини , нямат интрони (но други го правят), в противен случай еукариотните гени. Освен това археите имат хистонови подобни протеини, свързани с тяхната ДНК, присъстващи в еукариоти и липсващи в бактерии.

- Те се характеризират с присъствието на изопренил етер-липиди в клетъчните им мембрани, както и от липсата на ацил-естерни липиди и синтетаза на мастна киселина.

- Една от субединиците на нейния РНК полимеразен ензим е разделена, а нейните пратеници РНК, както при бактериите, нямат „качулки“ (от английска капачка) на техните 5 'краища.

- Те имат много специфичен обхват на чувствителност към антибиотици и имат рестрикционни ензими тип II, много подобни на тези, описани за бактериите.

- Друга важна характеристика е свързана с факта, че голяма част от археите имат клетъчна стена, но за разлика от бактериите, тя не е съставена от пептидогликан.

Характеристики на неговите мембранни липиди

Мембранните липиди на археите се различават значително от тези, открити в бактериите и еукариотните организми, и това се счита за много важна диференциална характеристика.

Основната разлика между тези амфипатни молекули (с хидрофилен полярен край и хидрофобен аполарен) е, че връзката между глицероловата част и веригите на мастните киселини в липидите на археята е през ефирна връзка, докато в бактериите и еукариотите съответства на естерна връзка.

Друга важна разлика е, че археите имат липиди с мастни киселини, характеризиращи се с наличието на силно разклонени изопренил вериги с метилови групи, докато еукариотите и бактериите имат предимно неразклонени верижни мастни киселини.

Липидите на еукариотите и бактериите се „изграждат“ върху глицероловата основа, към която веригите на мастните киселини се естерифицират в местата, съответстващи на въглеродни атоми 1 и 2, но в археевите глицеролови етери се съдържат киселини мазнини в позиции 2 и 3.

Друга разлика по отношение на мембранните липиди е свързана с техния биосинтетичен път, тъй като някои ензими също са различни в археите.

Например, някои видове археи имат бифункционален ензим на пренил трансфераза, който е отговорен за осигуряването на прекурсори както за синтеза на сквален, така и за синтеза на глицерил-липидни изопреноиди. В бактериите и еукариотите тези функции се извършват от отделни ензими.

Класификация на археите

Според данните на последователностите на малките субединици на рибозомните РНК на археята, тази група е разделена главно на две „фила“, които са известни като филъра Crenarchaeota и тила Euryarchaeota, чиито членове са по-горе всички, археи, отглеждани in vitro.

Въпреки това много от описаните наскоро археи не са култивирани in vitro и са отдалечени само от последователности, които са изолирани от видове, поддържани в лаборатории.

Phylum Crenarchaeota

Тази група се формира главно от видове хипертермофилни и термоацидофилни археи, тоест онези родове археи, които обитават негостоприемна среда с екстремни термични и pH условия.

Той е съставен от един таксономичен клас, известен като Thermoprotei, в рамките на който са следните пет таксономични порядка: Acidilobales, Desulfurococcales, Fervidicoccales, Sulfolobales и Thermoproteales.

Примери за някои от родовете, принадлежащи към споменатите класове, могат да бъдат родовете Sulfolobus, Desulforococcus, Pyrodictium, Thermoproteus и Thermofilum.

Phylum Euryarchaeota

Членовете на тази група имат малко по-широк екологичен обхват, като могат да открият в нея някои хипертермофилни, метаногенни, халофилни и дори термофилни метаногенни видове, денитрифициращи археи, намаляване на сярата, окисляване на желязо и някои органотрофи.

Описаните за Euriarchaeotes таксономични класове са осем и са известни като метанопири, метанококи, метанобактерии, метаномикроби, археглоби, халобактерии, термококи и термоплазмати.

Много от археите, принадлежащи към тази група, са широко разпространени, намиращи се в почви, седименти и морски води, както и в описаните екстремни среди.

Phylum Thaumarchaeota

Този тип е определен сравнително наскоро и много малко от принадлежащите към него видове са култивирани in vitro, така че за тези организми се знае много малко.

Всички членове на режещия ръб получават енергията си от окисляването на амоняка и се разпределят в световен мащаб в сладководни тела, почви, утайки и термални води.

Фила Korarchaeota , Aigarchaeota и Goarchaeota

Някои изследователи в тази област на базата на анализа на геномните последователности наскоро определиха съществуването на три допълнителни фила в царството Архея, въпреки че видовете, предложени за тези фила, все още не са изолирани в лаборатория.

Като цяло, членовете на тази фила са открити под повърхността на много сухоземни и морски екосистеми, но също и в горещи извори и дълбочинни хидротермални системи.

хранене

Повечето видове археи с хемострофни организми, тоест те са способни да използват силно редуцирани неорганични съединения, за да получат необходимата енергия за „преместване“ на метаболитните си машини, особено тази, която е свързана с дишането.

"Специфичността" за неорганичните молекули, които те използват като субстрати за производство на енергия, зависи от средата, в която се развива всеки конкретен вид.

Други археи, както и растения, водорасли, бриофити и цианобактерии, са способни на фотосинтеза, тоест използват и преобразуват светлинната енергия на слънчевите лъчи в използваема химическа енергия.

Доказано е, че някои археи обитават стомаха (търбуха) на някои преживни животни (сред които са крави, овце, кози и др.), Поради което те се класифицират като „взаимни археи“, тъй като те консумират част от фибрите, които тези животни поглъщат и си сътрудничат с храносмилането на някои от неговите компоненти.

репродукция

Подобно на бактериите, археите са едноклетъчни организми, чието размножаване е изключително асексуално. Основните механизми, описани от видовете, поддържани in vitro, са:

- Бинарно делене, при което всяка арка се "разделя" наполовина, за да създаде две еднакви клетки

- Опушване или „фрагментиране“, при което клетките отделят „фрагменти“ или „части“ от себе си, които са способни да образуват нови, генетично идентични клетки.

Среда на живот

Археите са свързани главно с „екстремни“ среди, тоест онези естествени места, които налагат сериозни ограничения за нормалното развитие на живите същества, особено по отношение на температура, рН, соленост, анаеробиоза (липса на кислород) и т.н.; поради което изследването им е изключително интересно, тъй като имат уникални адаптации.

Въпреки това, най-новите техники за молекулен анализ за идентифициране на некултурни видове микроорганизми (изолирани и държани in vitro в лаборатория) позволиха да се открие наличието на археи в такива ежедневни среди като почвата, руменът на някои животни и др. океански води и езера, между другото.

Въпреки това повечето от археите, които са идентифицирани в природата, са класифицирани според местообитанието, което обитават, термините "хипертермофили", "ацидофили" и "крайни термоацидофили", "крайни халофили" са познати в литературата. и "метаногени".

Средите, заети от хипертермофилни археи, са тези, които се характеризират с много високи постоянни температури (доста над "нормалните" температури, на които са подложени повечето живи същества).

Средата, в която живеят екстремни ацидофили, от друга страна, са тези, при които рН е много ниско и това може да се различи и от високи температури (екстремни термоацидофили), междувременно средите на екстремни халофили са тези, при които концентрацията на соли е много висока, Метаногенните археи живеят при липса на кислород или анаеробиоза, в среда, в която те могат да използват други молекули като приемници на електрон в своя метаболизъм и са способни да произвеждат метан като метаболитен „отпадъчен“ продукт.

Примери за видове археи

Има много известни видове археи, но само няколко от тях ще бъдат споменати тук.

Ignicoccus hospitalis и Nanoarchaeum equitans

I. hospitalis принадлежи към рода на кренахеята, известен като Ignicoccus и е хемолитоавтотрофен организъм, който използва молекулен водород като донор на електрон за намаляване на сярата. Този вид има най-малкия геном от всички описани досега in vitro археи.

I. hospitalis се държи като „паразит“ или „симбионт“ от друг вид: Nanoarchaeum equitans. Последният не е култивиран in vitro и неговият геном е най-малкият от всички описани некултурни археи.

Той живее главно в морска среда и няма гени за биосинтеза на липиди, аминокиселини, нуклеотиди или кофактори, така че експерименталните данни сочат, че той получава тези молекули благодарение на взаимодействието си с I. hospitalis.

Acidilobus saccharovorans

Това е вид термоацидофилна анаеробна архея, тоест живее в лоша среда или напълно лишена от кислород, с високи температури и изключително ниско pH. За първи път е намерен в земни горещи изворни тела в Камчатка.

Staphylothermus hellenicus

Тази арха принадлежи към ръба на Кренаркетотите, по-специално към ордена Desulfurococcales. Това е хипертермофилна хетеротрофна архея (живее в много горещи среди) и изисква сяра за енергия.

Препратки

1. Belfort, M., & Weiner, A. (1997). Друг мост между кралствата: tRNA сплайсиране в археи и еукариоти. Клетка, 89 (7), 1003-1006.
2. Berg, IA, Kockelkorn, D., Ramos-Vera, WH, Say, RF, Zarzycki, J., Hügler, M.,… & Fuchs, G. (2010). Автотрофна фиксация на въглерод в археите. Nature Reviews Microbiology, 8 (6), 447.
3. Brown, JR, & Doolittle, WF (1997). Архея и преходът прокариот към еукариот. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 61 (4), 456-502.
4. Chaban, B., Ng, SY, & Jarrell, KF (2006). Археални местообитания - от крайните до обикновените. Канадско списание за микробиология, 52 (2), 73-116.
5. Gambacorta, A., Trincone, A., Nicolaus, B., Lama, L., & De Rosa, M. (1993). Уникални характеристики на липидите на Archaea. Систематична и приложна микробиология, 16 (4), 518-527.
6. Junglas, B., Briegel, A., Burghardt, T., Walther, P., Wirth, R., Huber, H., & Rachel, R. (2008). Ignicoccus hospitalis и Nanoarchaeum equitans: ултраструктура, взаимодействие между клетки и клетки и 3D реконструкция от серийни секции на замразени от замръзване клетки и чрез електронна криотомография. Архиви на микробиологията, 190 (3), 395–408.
7. Klenk, HP, & Göker, M. (2010). По пътя към базирана на генома класификация на Archaea и бактерии? Систематична и приложна микробиология, 33 (4), 175-182.
8. Offre, P., Spang, A., & Schleper, C. (2013). Архея в биогеохимични цикли. Годишен преглед на микробиологията, 67, 437-457.
9. Winker, S., & Woese, CR (1991). Дефиниция на домейните Archaea, Bacteria и Eucarya по отношение на малки характеристики на субединица рибозомна РНК. Систематична и приложна микробиология, 14 (4), 305-310.
10. Wu, D., Hugenholtz, P., Mavromatis, K., Pukall, R., Dalin, E., Ivanova, NN,… & Hooper, SD (2009). Геномна енциклопедия на бактерии и археи, управлявана от филогения. Природа, 462 (7276), 1056.