Я уже касалась темы, посвящённой некоторым микроорганизмам. В частности у меня есть статьи о термофильных бактериях и микроорганизмах, необходимых для здоровья человека. Есть материалы о вирусах, которых также относят к определённой группе микроорганизмов. Но сегодня мне захотелось более подробно узнать о менее известных археях, которых считают древнейшими организмами на Земле.
Археи, как и бактерии относятся к прокариотам, т.е. их клетки не имеют сформированного, обособленного ядра. Их долго относили к бактериям и называли архебактериями. Со временем, в процессе их более детального изучения, выросло количество отличительных признаков бактерий и архебактерий, это позволило выделить архебактерии в самостоятельный крупный таксон. Архебактерий стали называть археями.
Раньше археи объединяли с бактериями в общую группу - прокариоты (или царство Дробянки (лат. Monera)), сейчас такая классификация считается устаревшей. Установлено, что археи имеют свой независимый эволюционный путь, характеризуются многими биохимическими особенностями, которые отличают их от других форм жизни.
Некоторые археи имеют необычную форму, например, клетки Haloquadratum walsbyi плоские и квадратные.
Размеры и форма клеток (за некоторым исключением) бактерий и архей очень похожи. Здесь надо отметить, что у архей есть определённые сходства и с клетками эукариот. Сходство отмечено в особенностях некоторых генов и метаболических процессов.
С 1965 года основным критерием степени родства разных прокариот стали считать сходство в строении их генов. Этот филогенетический подход в установлении родства прокариот и в наши дни остаётся основным.
Впервые археи были выделены в отдельную группу прокариот на основе филогенетического анализа, сделанного в 1977 году Карлом Вёзе и Джорджем Эдвардом Фоксом.
Карл Вёзе (1928 -2012) - американский микробиолог, создатель молекулярной филогенетики и первооткрыватель архей. В результате своей исследовательской деятельности он установил, что по молекулярным данным все организмы делятся на три основные группы - археи, бактерии (прокариоты) и эукариоты. Вёзе основывался на анализе рибосомальной РНК (рРНК), которая является универсальным генетическим маркером, присутствующим во всех живых организмах.
В 1985 году он издал филогенетическое древо, построенное на основании своих исследовательских данных. Карл Вёзе также предложил самый верхний ранг в классификации организмов, который включал бы в себя одно или несколько царств. Для обозначения этого верхнего классификационного ранга Вёзе предложил термин "домен". В трёхдоменной системе классификации Вёзе все эти группы (археи, бактерии и эукариоты) получили статус домена.
Джордж Эдвард Фокс (род. 17 декабря 1945 г.) - учёный из Хьюстонского университета, работал вместе с Вёзе по изучению особенностей архей. Поддержал вывод о том, что археи - это фундаментально отличный тип жизни.
Фокс и Вёзе также представили идею существования общего предка всех организмов в эволюции видов. Многие исследования Фокса раскрывают раннюю эволюцию жизни на планете и подтверждают идею того, что одним из первых компонентов генетического механизма организмов был аналог современных рибосом.
Итак, что же собой конкретно представляют археи, чем они отличаются от других форм жизни, где обитают, чем интересны для науки и прикладного значения в жизни человека?
Археи представляют собой одноклеточные микроорганизмы, которые не имеют ядра, и каких-либо мембранных органелл - внутриклеточных мембранных структур.
Где обитают?
Первые открытые учёными археи были экстремофилами - так называют живые организмы, которые могут жить в экстремальных, суровых условиях, таких как горячие источники, солёные озёра.
Археи действительно могут обитать в горячих гейзерах, подводных термальных источниках - чёрных курильщиках на дне океанов. Есть такие, которые могут жить в холодных местах (воды полярных морей) или в сильносолёных, сильнокислых и сильнощелочных средах, а также есть археи, живущие при высоком давлении. Некоторые из них могут выдерживать давление до 700 атм.
Огромное количества архей обнаружено в осадке, покрывающем океаническое дно. Оказалось, что они составляют большинство живых клеток на глубине больше 1 м от уровня океанического дна.
Но, как потом выяснилось, многие археи живут и в более благоприятных условиях. Они для себя выбрали болота, сточные воды, почву и не экстремальные воды океана, где они входят в состав планктона.
Некоторые археи-метаногены обитают в пищеварительном тракте жвачных животных и человека, где они помогают осуществлять пищеварение.
Представители архей не являются паразитами. Правда, есть представители наноархеот, которые паразитируют за счёт других архей.
Не выявлено ни одного патогенного вида среди архей. Но они часто образуют симбиозы с другими организмами - бывают мутуалистами и комменсалами. Пример мутуализма: взаимодействие простейших и метанобразующих архей, обитающих в пищеварительном тракте животных, таких как жвачные и термиты. Пример комменсализма: археи, живущие на внешней поверхности кораллов и в почве, возле корней растений.
Каковы основные морфологические особенности архей?
Размеры и форма
Клетки архей достигают от 0,1 до 15 мкм в диаметре. Как я уже отметила, форма клеток у многих архей похожа на форму бактериальных клеток. В основном это шаровидные, палочковидные или спиралевидные клетки. Есть дисковидная форма клеток. Клетки архей Sulfolobus — неправильной дольчатой формы, у Thermofilum — тонкой нитевидной формы и меньше 1 мкм в диаметре. Клетки Thermoproteus и Pyrobaculum почти идеально прямоугольные. Уже упоминались археи, имеющие плоские квадратные клетки (см. рисунок в начале текста). Считается, что такие необычные формы клеток обеспечиваются клеточной стенкой и своеобразным цитоскелетом.
Есть археи, у которых клеточная стенка отсутствует, поэтому они имеют неправильную амёбовидную форму.
Клетки некоторых видов архей могут объединяться в своеобразные агрегаты длиной до 200 мкм. Такие археи могут формировать биоплёнки. Есть археи, которые образуют сложные многоклеточные колонии, клетки которых объединены с помощью длинных, тонких, полых трубок.
В 2001 году в одном из болот Германии были обнаружены круглые беловатые колонии необычных эвриархеот. Эти колонии за их своеобразный вид назвали «нить жемчуга»: шарообразные колонии архей перемежались тонкими нитями длиной до 15 см, эти нити состояли из особых видов бактерий.
Как передвигаются
Многие археи подвижны и имеют жгутики, похожие на бактериальные, но с некоторыми особенностями. Передвижение осуществляется за счёт одного или более жгутиков.
Особенности строения и процессов жизнедеятельности архей
Типичная клетка археи имеет клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, рибосомы и жгутики. В цитоплазме клетки находится одиночная кольцевая хромосома. У археи Methanosarcina acetivorans хромосома имеет самый большой размер среди известных архей, она состоит из 5 751 492 пар нуклеодитов.
Также у архей имеются более мелкие независимые молекулы ДНК, так называемые плазмиды. Предполагают, что плазмиды могут передаваться между клетками при контакте клеток, в ходе процесса сходного с процессом конъюгации у бактерий.
Клеточная стенка характерна для большинства архей. Она сформирована молекулами поверхностных белков, образующих наружный так называемый S-слой. Этот слой - своеобразная кольчуга архей. Он представляет собой жёсткую сетку из белковых молекул, покрывающих клетку снаружи. Основная функция клеточной стенки - защита от физических и химических воздействий на клетку.
В отличии от бактерий клеточная стенка архей не содержит пептидогликан (муреин). Некоторые археи в составе клеточной стенки имеют псевдопептидогликан (псевдомуреин).
Цитоплазматическая мембрана архей также отличается от таковой у других организмов. Известно, что у всех живых организмов клеточные мембраны построены из фосфолипидов, состоящих из двух частей: гидрофильной полярной из фосфатов и гидрофобной неполярной из липидов. Эти части объединены через остаток глицерина. Главная составляющая мембраны - два слоя таких фосфолипидов, называемые липидным бислоем или билипидным слоем.
У архей фосфолипиды имеют 4 отличительные черты:
1) они сложены из глицерин-эфирных липидов (у бактерий и эукариот - из глицерин-сложноэфирных липидов); эфирные связи химически более стойкие, чем сложноэфирные - это позволяет археям выживать в экстремальных условиях;
2) асимметрический центр глицериновой составляющей имеет L-конфигурацию, а не D-, как у других организмов; поэтому для синтеза фосфолипидов археи используют совершенно другие ферменты;
3) основу липидов архей составляет изопреноидная боковая цепь с множеством побочных ветвей; такая особенность служит для приспособления к обитанию при высоких температурах;
4) у некоторых архей липидный бислой заменяется монослоем - липидные «хвосты» двух разных фосфолипидных молекул сливаются с образованием одной молекулы с двумя полярными головками, что делает мембрану более стойкой в суровых условиях.
Все эти особенности обозначены на рисунке-схеме:
Рибосомы архей отличаются от таковых у бактерий и эукариот, но при этом имеют общие черты с ними. Они имеют сферическую или слегка эллипсоидную форму, состоят из большой и малой субъединиц. Малая субъединица считывает информацию с матричной РНК, а большая — присоединяет соответствующую аминокислоту к синтезируемой цепочке белка.
По составу рибосомы архей ближе к эукариотическим, чем к бактериальным. Некоторые рибосомные белки архей имеют эукариотические, но не бактериальные аналоги. Кроме РНК и белков, в состав рибосом входят также низкомолекулярные компоненты, такие, как молекулы воды, ионы металлов, ди- и полиамины.
Для рибосом архей характерна полицистронность. Полицистронная мРНК — кодирует последовательности более чем одного белка. Эта особенность характерна для прокариот. У эукариот мРНК кодирует последовательность только одной белковой цепи (моноцистронность).
Генетически эти микроорганизмы отличаются и от эукариот, и от бактерий. До 15 % белков, кодируемых одним геномом архей, уникальны для этого таксона, функции большинства этих белков неизвестны.
Но есть белки, функции которых известны, они принадлежит эвриархеотам (тип архей, которые отличаются разнообразием и способностью существовать в экстремальных условиях) и задействованы в метаногенезе.
Белки, общие для архей, бактерий и эукариот, участвуют в основных клеточных функциях и касаются в основном транскрипции (процесс переписывания наследственной информации с молекулы ДНК на информационную (матричную) РНК), трансляции (процесс биосинтеза полипептидных цепей белков) и метаболизма нуклеотидов.
Жгутики архей работают так же, как и у бактерий: их длинные нити приводятся в движение вращательным механизмом в основании этого образования. Но есть и существенные отличия : жгутики архей отличаются от бактериальных по строению и способу сборки.
Размножаются археи бесполым путём: делением, фрагментацией или почкованием. Спор, в отличие от бактерий, не образуют.
Для архей характерно огромное разнообразие химических реакций, протекающих в их клетках в процессе метаболизма, а также они демонстрируют использование разных источников энергии.
Разделение по группам питания в зависимости от источников энергии и углерода представляет данная таблица:
Фототрофы используют энергию света для получения химической энергии в виде АТФ. Они не образуют кислород в процессе фотосинтеза. К таким археям можно отнести галоархей, которые живут в сильносолёных водоёмах.
К литотрофам относятся нитрифицирующие археи, метаногены и анаэробные метаноокислители.
Органотрофы - организмы, которые используют органические соединения (углеводы, жирные кислоты, ароматические вещества) для роста и получения энергии.
Роль архей в природе
Археи играют важную роль в природе, участвуя в круговоротах веществ, влияя на экосистемы.
Для нормального функционирования экосистем необходим процесс изменений - круговорот веществ, в составе которых присутствуют такие элементов, как углерод, азот и сера. Используя эти элементы в своих различных средах обитания, археи осуществляют важные процессы для всей экосистемы в целом.
Участвуя в круговороте азота, археи как удаляют азот из экосистемы (азотное дыхание и денитрификация), так и накапливают (усвоение нитратов и фиксация азота).
Была открыта ещё одна сторона участия архей в обмене азота: они причастны к окислению аммиака. Это особенно важно для океанов.
В почве археи также участвуют в окислении аммиака. Они образуют нитриты, которые затем окисляются другими микроорганизмами в нитраты. Нитраты используются растениями и другими организмами.
Археи, живущие за счёт окисления соединений серы, получают их из каменистых горных пород и делают их доступными для других организмов. Но есть и отрицательное участие в круговороте серы: архея Sulfolobus, например, образует серную кислоту как побочный продукт метаболизма. Это может привести к тому, что существование таких архей в заброшенных шахтах, где всегда есть шахтные воды, может совместно с кислотными шахтными водами причинить вред окружающей среде.
В круговороте углерода большую роль играют метаногены. Они удаляют водород, играя важную роль в разложении органической материи. Совместно с другими популяциями микроорганизмов они выступают как анаэробные разлагатели в болотах, водоочистных сооружениях, илистых местах.
С другой стороны, метаногены являются главным источником атмосферного метана, участвуют в ежегодном выбросе метана в воздух. Поэтому их считают причастными к созданию парникового эффекта на Земле. Метан достигает 18 % от общего объёма парниковых газов и в 25 раз эффективнее по способности вызывать парниковый эффект, чем углекислый газ.
Прикладное значение архей в жизни человека
1) Использование ферментов архей:
- в молекулярной биологии: экстремофильные археи являются источником ферментов, работающих в суровых условиях (высокие температуры или повышенная кислотность/щёлочность среды); например, благодаря некоторым ферментам архей, возможно просто и быстро клонировать ДНК;
- в пищевой промышленности: производство продуктов питания при высоких температурах; например, выпуск молока и сыворотки с низким содержанием лактозы;
- в структурной биологии (занимается изучением структуры биологических макромолекул): стабильность ферментов архей делает их удобными для использования в исследованиях; аналоги ферментов бактерий и эукариот, получаемые из экстремофильных архей, часто применяются в исследованиях структурной биологии;
2) Использование архей как организмов:
- в биотехнологии: очистка сточных вод, анаэробное разложение и образование биогаза;
- в обогащение полезных ископаемых: для получения металлов из руд - золота, кобальта, меди и др.;
- для использования антибиотиков - это направление только развивается, ведутся исследования; выяснилось, что потенциально полезные антибиотики архей по структуре отличны от бактериальных, поэтому они могут иметь другие механизмы действия;
3) Археи и здоровье человека:
- археи в составе микробиома человека: совокупность архей, обитающих в организме человека составляет его археом; только развитие процедуры секвенирования (секвенирование - это способ определения нуклеотидной последовательности ДНК (или РНК) позволило выявить архей, ассоциированных с человеком; на все вопросы, связанные с истинным влиянием архей на здоровье человека, пока однозначного ответа нет;
В 2017 году исследованиями впервые был доказан специфический иммунный ответ на присутствие архей. Но остается неясным, могут ли археи участвовать в развитии заболеваний.
- выявлены механизмы достоверного влияния архей метаногенов на состояние человека:
метаногены (археи, которые образуют метан как побочный продукт метаболизма в бескислородных условиях) поддерживают благоприятные условия для развития условно-патогенных бактерий - различные вредоносные микроорганизмы лучше растут в тесном союзе с археями; но метагенез (образование метана археями) имеет и положительное значение - он снижает общее давление в жкт, что приводит к уменьшению вздутия живота.
- археи участвуют в преобразовании металлов и металлоидов; они способны превращать металлы и металлоиды, такие как мышьяк, селен, теллур, сурьма и висмут, в их более опасные летучие производные";
- археи способны удалять триметиламин (ТМА); превращение его в метан в процессе метаболизма противодействует развитию атеросклероза - заболеванию, поражающего артерии, в стенках которых накапливается холестерин;
- образуя биоплёнки, археи могут оседать на слизистых жкт, носовой и ротовой полостей; например, в полости рта, археи Methanobrevibacter oralis обнаруживались у каждого второго пациента, страдающего пародонтозом (поражение околозубной ткани), в то время, как у здоровых людей, плёнки, в состав которой входят археи, не наблюдались; есть предположение, что архейные биоплёнки способствуют сохранению групп патогенных бактерий, входящих в состав этих же биоплёнок, например, защищая их от антибиотиков.
На данный момент исследования влияния архей на организм человека продолжаются. Как оказалось, археи могут одновременно иметь и положительное и отрицательное значение для здоровья. Одно только однозначно: на данный момент не существует чётких доказательств существования патогенных, или, тем более, паразитических архей.
Благодарю всех, кто дочитал эту статью до конца, оценил труд, поставив "класс", поделившись информацией, или подписался.
О других микроорганизмах можете прочитать в статьях:
1. Самые термофильные бактерии https://dzen.ru/a/Zajgsfmb3wchly17
2. Самая полезная пища https://dzen.ru/a/ZLwtYpWvaDfzSnIt (о сквашивании продуктов молочнокислыми бактериями)
3. Самые нужные для человека микроорганизмы https://dzen.ru/a/YxHiLgL73GCUdfFQ
4. Самые нужные бактерии трезвости https://dzen.ru/a/Y23rQEvmcnBIY3Af
5. Самый вкусный https://dzen.ru/a/YppqvVP6TQMnacCU (о возможной взаимосвязи кожных бактерий человека с укусами комаров)
6. Самые известные клеточные паразиты - вирусы https://dzen.ru/a/ZAHuVk59DGd-h76u
7. Две статьи о слизевиках, очень интересных организмах:
Самые умные слизевики https://dzen.ru/a/ZGtjmTR-wxqUb2tQ
Самый фантастичный Blob https://dzen.ru/a/Zpo5iV3lYm7dGawv