Planeet Maa on seni ainus koht universumis, kus elu fluorestsents on saavutatav tänu meie elupaigas koonduvatele klimaatilistele muutujatele; sisuliselt on vedel vesi, sobivad temperatuurid ja sobivad keemilised reaktsioonid võimaldanud organismide teket ja evolutsiooni, mis jäävad ellu süsiniku- ja hapnikumolekulidest energiat sünteesides.
Inimesed on osa sellest meeskonnast, mis suhtleb maailmas, samuti erinevad liigid, mida me tavaliselt võime täheldada, kuid on palju organisme, mis ei ole silmapiiril ja millel on samamoodi põhiline roll elu tasakaalustamisel ; need elusolendid Neid nimetatakse mikroorganismideksTänu oma väiksusele ja põhilisele orgaanilisele koostisele on see kehasüsteemi elementaarne korraldus võimaldanud sellel edukalt paljuneda ja levida.
Arheed ja nende koht elupuus
Mikrobioloogia on teadus, mis vastutab nende mikroorganismide uurimise ja klassifitseerimise eest teatud aspektide järgi, mis neid eristavad, luues seeläbi kurikuulsa Erinevus mitmerakuliste ja üherakuliste organismide vahelHulkurakestest organismidest rääkides leiame, et need on eluvormid, mis on küll mikroskoopilised, kuid koosnevad mitmest rakust, mis struktureerivad oma põhilisi interaktsioonisüsteeme teatud viisil.
Kuigi üherakulised organismid toetuvad kõigi oma protsesside läbiviimiseks ühele rakule, hõlmavad need ka arhede kuningriiki kuuluvaid organisme, mida varem nende struktuuriliste sarnasuste tõttu bakteritega segi aeti. Need mikroorganismid on üherakulised prokarüootid Neil puudub selgelt määratletud tuum või sisemised membraaniga seotud organellid, kuid nende biokeemia ja geneetika eristavad neid bakteritest.
Kui nad identifitseeriti eraldi rühmana, nimetati neid arhebakteriteks ja arvati endisesse Monera kuningriiki. Ribosoomi RNA ja kogu genoomi analüüsid näitasid aga, et arhedel on iseseisev evolutsiooniline ajalugu ja ainulaadsed molekulaarsed omadused, mistõttu neid peetakse nüüdseks üheks kolmest peamisest eluvaldkonnast: arheed, bakterid ja eukarüoodid.
Kuigi olete ehk nendest omapärastest elusolenditest kuulnud, näitame teile selles artiklis, kuidas Asjad, mida sa ilmselt Archaea kuningriigi kohta ei teadnud ja see üllatab teid kindlasti, arvestades kõike, mida teatakse nende bioloogia, mitmekesisuse, ökoloogilise rolli ja tehnoloogiale avalduva mõju kohta.
Arhede ulatuslik kaasaegne klassifikatsioon ja taksonoomia
Arheide kuningriik või domeen omab ulatuslik ja endiselt muutuv sisemine klassifikatsioonErinevalt teistest elusorganismide rühmadest on enamik arhede liike teada ainult nende nukleiinhapete analüüsi kaudu keskkonnaproovides, kuna nende kultiveerimine laboris on sageli keeruline. See tähendab, et arhede süstemaatikat pidevalt muudetakse.
Arheades on praegu tunnustatud mitu peamist liini. Paljud autorid arutlevad selle üle neli suurt kuningriiki või supergruppi peamised molekulaarsel fülogeneesil põhinevad:
- Metanobakterioot (endine Euryarchaeota): hõlmab suurimat hulka teadaolevaid arhesid, sealhulgas enamiku metanogeensed arhaed mis toodavad metaani, palju äärmuslikke halofiile ja mitmeid termoatsidofiilseid rühmi.
- Termoproteoot (tuntud ka kui TACK-rühm): hõlmab klasse nagu Nitrososphaeria, Korarchaeia ja Thermoproteia, millel on arvukalt termofiilid ja hüpertermofiilid, atsidofiilid ja ammooniumi oksüdeerimisega seotud organismid.
- Promethearchaeota või AsgardPõnev superrühm, mis sisaldab eukarüootidega väga lähedalt seotud arhesid, mille geenid ja valgud meenutavad tuumaga rakke ja mis võivad esindada keerulise elu esivanemate sugupuu.
- Nanobdellati (sageli identifitseeritakse kui DPANN-rühm): moodustunud arhede poolt üliväike, paljud neist atsidofiilsed või hüpertermofiilsed, väga redutseeritud genoomidega, näiteks Nanoarchaeum equitans.
Nendes superrühmades pakutakse välja mitu kandidaathõimkonda, näiteks Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota ja Lokiarchaeia, millest igaüks koondab liine, millel on väga spetsiifilised ökoloogilised ja füsioloogilised tunnused. Pakutud arheoloogiliste hõimkondade koguarv ületab kümmet ja ainult osa neist on üksikasjalikult kultiveeritud ja uuritud, seega Arhede tegelik mitmekesisus on suuresti teadmata.
Arhed koos bakteritega on teadaolevalt planeedi arvukaim elusorganismide rühm, mis koosneb triljonitest isendite populatsioonist, kes paljunevad lakkamatult iga päev. Nende üherakuline struktuur, mis reguleerib nende elutsüklit, tähendab, et selle paljundamine on ülitõhus protsess ja mida me hiljem üksikasjalikumalt selgitame.
Rakkude ainulaadsed omadused, mis eristavad neid bakteritest
Arhed ja bakterid on suuruse ja kuju poolest üsna sarnased, kuigi arhed võivad esineda väga ebatavalised morfoloogiadklassikalistest keradest ja pulkadest kuni lapikute ja kandiliste kujunditeni nagu Haloquadratum walsbyi, üle 200 mikroni suuruste niitide või õõnsate torude (kanüülide) abil ühendatud kolooniateni nagu perekonnas Pyrodictium.
Vaatamata visuaalsele sarnasusele bakteritega on arhedel geenid ja mitu ainevahetusrada. eukarüootide omadele lähemaleriti transkriptsiooni ja translatsiooniga seotud ensüümides. Lisaks on neil ainulaadsed biokeemilised omadused:
- Plasmamembraan lipiididega, mis on glütserooli külge kinnitatud eetrisidemed ja hargnenud isoprenoidahelatest moodustunud sabad. See annab neile palju suurema vastupidavuse kõrgetele temperatuuridele, äärmuslikule pH-le ja orgaanilistele lahustitele.
- Rakusein tüüpilise bakteriaalse peptidoglükaanita. Paljudel arhedel on pseudopeptidoglükaan, spetsiifilised glükoproteiinid või polüsahhariidid, mis toimivad kaitsva S-kihina.
- Ribosoomid 70S tüüpi sarnased bakterite omadega, kuid ribosomaalsete valkude ja transkriptsioonifaktoritega, mis on väga lähedased eukarüootide omadele, mis tugevdab arhede ja eukarüootide vahelist evolutsioonilist seost.
- Arheani flagell struktuurilt erinev bakteriaalsetest, sarnasem IV tüüpi pilidega, kokku pandud alusest, mitte tipust.
Hiljutine avastus on isegi näidanud, et teatud arhed on võimelised moodustama struktuuri, mis sarnaneb ... nucleolusSeda peeti kuni viimase ajani eukarüootsete rakkude ainuomaseks. See avab uusi küsimusi selle kohta, kuidas geeniekspressioon oli korraldatud keeruka elu esivanematel.
Nad elavad igas keskkonnas: ekstremofiilidest mesofiilideni
Kui arhesid peeti bakterite osaks, arvati ka, et need organismid saavad elada ainult äärmuslikes ja väga spetsiifilistes elupaikades; nüüdseks on aga teada, et arhede kuningriiki kuuluvad liigid võivad probleemideta esineda väga erinevates keskkondades.
Mis puutub temperatuuridesse, mida need elusolendid taluvad, siis need varieeruvad mõnikord vahemikus üle 100 °C ja alla -30 °CSamuti on tähelepanuväärne, et nad suudavad ellu jääda ja normaalselt suhelda soolases keskkonnas, kus ükski teine mikroorganism ei saaks edeneda. Hinnanguliselt võib neid esineda enam kui 30% planeedi keskkonnast, mis peegeldab nende kohanemisvõimet ja arvukust.
Ekstremofiilsed arhead jaotatakse elupaiga järgi sageli nelja põhitüüpi:
- HalofiilidNad elavad kõrge soolasisaldusega keskkondades, näiteks soolajärvedes või soolatasandikel, kus teatud soolsustasemest kõrgemal on nende arv baktereid rohkem.
- Termofiilid ja hüpertermofiilidNad edenevad hästi temperatuuril üle 45 °C ja isegi üle 80 °C, kuumaveeallikates, hüdrotermilistes lõõrides ja naftapuuraukudes.
- Atsidofiilid ja alkalofiilidNad võivad kasvada äärmiselt madalal pH tasemel, lähedal nullile, või väga kõrgel tasemel, kasutades ära oma keskkonna erilist keemilist koostist.
- PsührofiilidNad elavad väga külmades keskkondades, nagu polaarmered, merejää või sügavad setted, sünteesides madalatel temperatuuridel aktiivseid ensüüme.
Siiski on paljud arhed mesofiilsed ja elavad parasvöötme tingimustes: muldades, parasvöötme ookeanides, soodes, setetes ja inimeste ja teiste loomade sooltesMere planktonis võivad teatud Nitrososphaeria rühma arhaead moodustada kuni 40% mikroobide biomassist, osaledes aktiivselt lämmastikutsüklis.
Tänu sellele uskumatu vastupidavus See võimaldas sellel kuningriigil edeneda juba Maa atmosfääri tekkimisest alates, umbes 2.500 miljardit aastat tagasi, ning on oluliselt mõjutanud planeedi ja selle liikide evolutsiooniprotsesse. Sama vastupidavus on õhutanud spekulatsioone sarnaste mikroorganismide võimaliku olemasolu kohta teistel planeetidel või kuudel, kus valitsevad äärmuslikud tingimused.
Mitmekülgne ainevahetus: nad töötlevad rohkem ressursse kui teised mikroobid
Erinevalt paljudest teistest mikroorganismidest suudavad arheede kuningriiki kuuluvad mikroorganismid töödelda... toitainete ja toorainete suurem mitmekesisus mida leidub erinevates keskkondades. Nende hulgas võib mainida lämmastiku-, süsiniku- ja väävliühendeid; neil on isegi sellised protsessid nagu glükolüüs (oma variatsioonides), et saada energiat, mis tagab nende elutsükli.
Toitumistüübi põhjal võivad arheed olla:
- LitotroofidNad saavad energiat anorgaanilistest ühenditest nagu ammoniaak, vesinik, väävel või raud, mängides võtmerolli biogeokeemilistes tsüklites.
- OrganotroofidNad kasutavad süsiniku ja energiaallikana orgaanilisi ühendeid (suhkrud, orgaanilised happed, alkoholid).
- Fototroofid Klassikaline mittefotosünteetiline: mõned haloarhead kasutavad päikesevalguse rakendamiseks ja ATP tootmiseks hapnikku vabastamata pigmente, näiteks bakteriorodopsiini.
Mõned liigid saavad päikesevalgust energiaallikana kasutada ilma hapnikku tootmata, nagu fotosünteesiprotsessides, mis on ainulaadne omadus. selle planeedi elusolendite seesSee ei hõlma metanogeenseid aineid, st neid, mis tekitavad metaangaasi väga spetsiifilistel asjaoludel, sealhulgas inimese soolestikus, mistõttu arvatakse, et neil on seedimisprotsessis ja gaaside tootmisel oluline roll.
The metanogeensed arhaed Nad kasutavad anaeroobsetes tingimustes elektronaktseptoritena süsinikdioksiidi, vesinikku, atsetaati või muid lihtsaid ühendeid, mille kõrvalproduktina tekib metaan. See protsess on oluline soodes, setetes, reovee kääritusjaamades ja mäletsejaliste vatsas, kuid see muudab need arheed ka oluliseks osalejaks... kasvuhoonegaasid.
Teised arhed siduvad süsinikku Calvini tsükli alternatiivsete radade kaudu, näiteks 3-hüdroksüpropionaadi/4-hüdroksübutüraadi tsükli või atsetüül-CoA redutseeriva raja kaudu. Lämmastikutsüklis oksüdeerivad paljud pinnases ja ookeanides elavad arhed ammoniaaki, vabastades nitriteid, mida teised bakterid seejärel taimedele kasutatavateks nitraatideks muudavad.
Aseksuaalne paljunemine ja geneetiline ülekanne
Arheede kuningriiki kuuluvad liigid paljunevad ainult mittesuguliselt selliste protsesside kaudu nagu binaarne lõhustumine, mitmiklõhustumine, pungumine või fragmenteerumine. Kõige levinum mehhanism on binaarne lõhustuminemis seisneb ühe raku paljundamises selle geneetilise materjali kloonimise ja uue geneetilise materjali majutamiseks mõeldud individuaalse tsütoplasma loomisel; selle paljunemisviisi aluseks on DNA replikatsioon, mis võimaldab organismil saada endast praktiliselt identse koopia.
Oluline on arvestada, et see paljunemisvorm esineb ka bakterites ja teistes üherakulistes organismides, mis moodustavad ja on moodustanud selle planeedi elusolendite vahelise interaktsiooniahela aluse. Perekonna Sulfolobus arhedes on täheldatud, et kromosoomide replikatsioon algab mitmest päritolust ja kasutab eukarüootidega sarnaseid DNA polümeraase, samas kui rakkude jagunemist suunavad valgud meenutavad pigem bakteriaalseid.
Kuigi neid pole kirjeldatud endospoorid Nagu teatud bakterid, võivad ka mõned haloarhead moodustada paksenenud seintega rakke, mis on osmootsete või soolsuse muutuste suhtes vastupidavamad, võimaldades neil ebasoodsates tingimustes ellu jääda ja uusi elupaiku koloniseerida.
Lisaks klonaalsele paljunemisele saavad arhed geneetilist materjali vahetada ka järgmiste kanalite kaudu: spetsiifilised plasmiidid ja viirusedOn avastatud väga mitmekesise morfoloogiaga viiruseid, sealhulgas pudelikujulisi, konksukujulisi vardaid ja pisarakujulisi struktuure, mis erinevad ühegi teise teadaoleva viiruse omadest, eriti termofiilsetes arhedes, näiteks Sulfolobales'i seltsi kuuluvates arhedes. Paljudel arhedel on korduvatel järjestustel ja RNA-l põhinevad kaitsesüsteemid (sarnaselt CRISPR-Cas süsteemiga), mis võimaldavad neil sissetungivat DNA-d ära tunda ja neutraliseerida.
Seos inimestega: mikrobioota ja selgete patogeenide puudumine
Algselt arvati, et arhedel pole inimese tervisele mingit tähtsust, kuna neid tunti peamiselt äärmuslike keskkondade kaudu. Tänapäeval teame aga, et nad on stabiilne osa inimese mikrobioota erinevates niššides:
- SoolestikSellised liigid nagu Methanobrevibacter smithii on käärsooles väga arvukad ja võivad moodustada olulise osa soolestiku prokarüootidest, osaledes polüsahhariidide seedimises ja metaani tootmises.
- suuMethanobrevibacter oralis't on leitud hambakatust ja igemetaskutest, kus see võib vesiniku tarbimisega soodustada anaeroobset keskkonda.
- Nahk, hingamisteed ja kuseteede süsteemmetagenoomilised uuringud on nendes kohtades tuvastanud arheoloogilisi järjestusi, kuigi väiksemates kogustes ja endiselt ebaselgete funktsioonidega.
Inimestel ega teistel loomadel ei ole teadaolevaid selgeid obligaatsete patogeensete arhede näiteid, kuid mõned on välja pakutud. kaudsed seosed metanogeenide rohkuse ja selliste häirete vahel nagu krooniline kõhukinnisus, ärritunud soole sündroom, mille puhul esineb valdavalt kõhukinnisust, kaugelearenenud parodondi haigus või teatud soole düsbioos.
Enamasti näivad arhed olevat mutualistid või kommensaalidInimeste ja mäletsejaliste soolestikus tarbivad nad teiste kääritavate mikroobide toodetud vesinikku, mis võimaldab neil saada rohkem energiat tselluloosi või muude komplekssete süsivesikute lagundamisest. Mõnedel termiitidel elavad arhed isegi sümbiootiliste algloomade spetsiaalsetes organellides (hüdrogenosoomides), viies lõpule keeruka metaboliitide vahetusahela.
Neid kasutatakse paljudes tööstusharudes ja täiustatud biotehnoloogias.
Teatud inimtoiduks mõeldud tööstustoodete, eriti piimatoodete ja nende derivaatide tootmisel on bakterite ja mikroorganismide kasutamine keemiliste reaktsioonide katalüsaatorite ja aktivaatoritena hästi teada. Need reaktsioonid annavad sellistele toodetele nagu juustud, vadak ja jogurt nende iseloomuliku konsistentsi, maitse, vastupidavuse ja tekstuuri; siiski on olemas tootmisahelaid, mis nõuavad kõrged temperatuurid Teatud omaduste realiseerimiseks ei suuda enamik baktereid neid väga kuumi tingimusi taluda, andes teed arhedele, mis taluvad üle 100 °C ja arendavad nendes toiduainetes vajalikke muutusi efektiivse kvaliteedi saavutamiseks.
Termofiilsete ja hüpertermofiilsete arhede ensüümid (mõnikord nimetatakse neid ekstremotsüümidNeed on äärmiselt kuumakindlad ja tavaliselt vastupidavad denatureerivatele ainetele, pesuvahenditele, orgaanilistele lahustitele ja äärmuslikele pH-tasemetele. See muudab need hindamatuks mitmesuguste tööstusharude jaoks:
- ToidutööstusSelliste liikide nagu Pyrococcus furiosus amülaasid, galaktosidaasid ja pullulanaasid toimivad kõrgel temperatuuril, võimaldades töödelda madala laktoosisisaldusega piima, vadakut ja muid tooteid ilma ensümaatilist aktiivsust kaotamata.
- MolekulaarbioloogiaArhedest saadud termostabiilsed DNA polümeraasid on polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR) revolutsiooniliselt muutnud, taludes korduvaid denatureerimise, anniilimise ja pikendamise tsükleid ilma lagunemata.
- Pesuainete, tekstiili-, paberi- ja nahatööstusKõrgtemperatuurikindlaid ensüüme ja pindaktiivseid aineid kasutatakse pesemise efektiivsuse parandamiseks, kiudude töötlemiseks ning paberi ja naha töötlemiseks.
- Biogaasi tootmine ja veetöötlusMetanogeensed arhaed on anaeroobsetes kääritites üliolulised, kus nad muudavad orgaanilised jäätmed metaaniks, mida saab kasutada taastuva energiaallikana.
- kaevandamineKaevanduses kasutatakse paljusid arhesid, mis teevad tõhusalt koostööd keemilistes reaktsioonides, mis on vajalikud selliste mineraalide nagu kuld, koobalt ja vask saamiseks, hõlbustades keskkonnasõbralikumaid bioleostusprotsesse.
Meditsiinis on arheade kuningriigi kaudu tehtud märkimisväärseid edusamme, kuna nende organismide põhjal on toodetud mõningaid antibiootikume, mis on aidanud paljusid inimesi, kes on allergia traditsiooniliste antibiootikumide suhtesLisaks on tuvastatud arheoloogilise päritoluga ühendeid, mille struktuur erineb bakteriaalsete antibiootikumide struktuurist oluliselt, mis avab ukse uutele toimemehhanismidele resistentsete patogeenide vastu.
Vähem kui üks protsent olemasolevatest mikroorganismidest on detailselt uuritud, seega hinnanguliselt on miljoneid arhesid veel avastamata, eriti äärmuslikes keskkondades: ookeanipõhjas, kõrgrõhuvööndites, äärmuslikes keemilistes gradientides või niššides, mida on vähe uuritud. Iga äsja tuvastatud liin kujutab endast potentsiaalset allikat. uudsed ensüümid, erinevad antibiootikumid ja ainulaadsed ainevahetusrajad biotehnoloogilise potentsiaaliga.
Ekstremofiilsete mikroorganismide suur bioloogiline mitmekesisus ja nende võime sünteesida aktiivseid valke äärmuslikes tingimustes on avanud paljulubava valdkonna biotehnoloogias, kuna paljud tööstusprotsessid toimuvad äärmuslikes temperatuuri, rõhu, ioontugevuse, pH ja orgaaniliste lahustite juuresolekul. Lisaks saab neid ensüüme kasutada ... mudelid kohandatud valkude kujundamiseks geenitehnoloogia abil, kohandatud konkreetsetele rakendustele.
Kuigi arheed avastati eraldi rühmana suhteliselt hiljuti ja nende kasvatamine on paljudel juhtudel endiselt keeruline, paljastab selektiivsete aretustehnikate, metagenoomika, massiivse sekveneerimise ja struktuuribioloogia kombinatsioon üha rohkem üksikasju nende mitmekesisuse ja võimete kohta. Kõik märgid viitavad sellele, et see eluvaldkond, nii diskreetne kui ka rikkalik, saab endiselt palju panustada nii meie päritolu mõistmisse kui ka tõhusamate ja jätkusuutlikumate tehnoloogiate arendamisse.