Archaebacteria:Ορισμός και παραδείγματα

Αρχαιβακτήρια είναι παρόμοια σε μορφή με τα βακτήρια, αλλά διαφέρουν από τα κανονικά βακτήρια που συχνά μελετούν οι βιολόγοι. Στην πραγματικότητα, οι διαφορές μεταξύ των κανονικών βακτηρίων και των αρχαιβακτηρίων είναι τόσο μεγάλες που ταξινομούνται χωριστά από άλλες μορφές ζωής και έχουν αμφισβητήσει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ταξινομούν τη ζωή σε διαφορετικά βασίλεια.

Αν και τα αρχαιοβακτήρια και ένα κανονικό βακτήριο θεωρούνταν κάποτε μέρος του ίδιου βασιλείου, η μοριακή βιολογία και η γενετική έχουν δείξει ότι αυτοί οι προκαρυωτικοί οργανισμοί έχουν πολλά μοναδικά χαρακτηριστικά που αξίζουν το δικό τους κλάδο στο φυλογενετικό δέντρο της ζωής.

Ορισμένα κείμενα θα αναφέρονται σε αυτούς τους οργανισμούς ως αρχαία και όχι ως αρχαιοβακτήρια, για να γίνει πιο σαφής η διάκριση μεταξύ αυτών και των βακτηρίων, και υπάρχει κάποια διαφωνία σχετικά με τους ακριβείς όρους που χρησιμοποιούνται για την ταξινόμηση των αρχαίων - εάν πρέπει να ονομάζονται αρχαία ή αρχαιοβακτήρια. Αυτό το άρθρο θα χρησιμοποιεί τους όρους εναλλακτικά.

Η Ταξινόμηση των Αρχαίων

Ένας από τους τρόπους με τους οποίους οι επιστήμονες κατηγοριοποιούν τις μορφές ζωής είναι ο διαχωρισμός τους σε διαφορετικά βασίλεια, τα οποία βασίζονται στην κυτταρική δομή του οργανισμού. Τα διάφορα βασίλεια περιλαμβάνουν τους Μύκητες, την Πλανιτία, την Ανιμάλια, την Προτίστα και τη Μονέρα. Το βασίλειο Protista περιείχε μονοκύτταρους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, ενώ το βασίλειο Monera πιστευόταν ότι περιελάμβανε όλες τις διαφορετικές ποικιλίες προκαρυωτικών οργανισμών.

Ωστόσο, βιοχημικές και γενετικές μελέτες βακτηρίων έχουν δείξει ότι ορισμένοι τύποι προκαρυωτών, αυτοί που αναφέρονται ως «αρχαιβακτήρια», έχουν μοναδική βιοχημεία που τους τοποθετεί στο δικό τους τμήμα του δέντρου της ζωής. Το όνομα των archaebacteria προέρχεται από τη ρίζα "archaea":σημαίνει "αρχαία", η οποία αντανακλά την υπόθεση ότι τα σύγχρονα αρχαιβακτήρια έχουν προέλθει από αρχαίους πληθυσμούς βακτηρίων που εξελίχθηκαν για να ευδοκιμήσουν σε περιβάλλοντα πλούσια σε θείο, υψηλής θερμοκρασίας που περιβάλλουν τις οπές βαθέων υδάτων. .

Λόγω της προόδου στη βιοχημεία και τη γενετική, το φυλογενετικό δέντρο της ζωής περιέχει μια νέα τάξη ταξινόμησης, την έννοια των τομέων. Οι τομείς περιλαμβάνουν ακόμη μεγαλύτερο τμήμα της ζωής από τα βασίλεια. Σύμφωνα με το σύστημα των τομέων, όλοι οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί συμπεριλαμβανομένων των πρωτιστών, των μυκήτων, των φυτών και των ζώων θεωρούνται μέρος του τομέα των Ευκαρυωτών. Εν τω μεταξύ, τα περισσότερα βακτήρια εμπίπτουν στον τομέα «ευβακτήρια». Τέλος, ο τομέας "αρχαία" ανήκει εξ ολοκλήρου στα archaea/archaebacteria.

Θεωρίες Archaebacteria

Η μελέτη της μοναδικής βιοχημείας που κατέχουν τα αρχαιοβακτήρια θα μπορούσε να δώσει στους ερευνητές περισσότερες πληροφορίες για το πώς λειτουργούσε η ζωή κατά τους αρχαίους, αρχέγονους χρόνους. Ορισμένοι επιστήμονες υποθέτουν ότι αρχαιοβακτήρια όπως το βακτήριο Thermoplasma θα μπορούσαν να είναι οι προκάτοχοι των πυρήνων που βρίσκονται στα κύτταρα των ευκαρυωτών, έχοντας εξελιχθεί σε πυρήνες μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως ενδοσυμβίωση.

Τα αρχαία έχουν την ικανότητα όχι μόνο να επιβιώνουν, αλλά και να ευδοκιμούν, σε περιβάλλοντα στα οποία οι περισσότεροι άλλοι οργανισμοί δεν θα μπορούσαν να ζήσουν. Αυτά περιλαμβάνουν περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, περιβάλλοντα με υψηλή περιεκτικότητα σε όξινα άλατα και περιβάλλοντα με υψηλή περιεκτικότητα σε αλάτι. Τα βακτήρια μπορούν δυνητικά να επιβιώσουν σε θερμοκρασίες έως και 190°F και σε ουσίες με οξύτητα έως και 0,9 pH.

Πέρα από αυτό, τα αρχαιοβακτήρια εμπλέκονται σε οριζόντια μεταφορά γονιδίων αρκετά συχνά. Η οριζόντια μεταφορά γονιδίου είναι όταν ένα άτομο μεταφέρει ένα γονίδιο σε άλλο άτομο κατά τη διάρκεια ζωής αυτών των ατόμων. Αυτό καθιστά δύσκολο τον ακριβή προσδιορισμό του πόσο στενά σχετίζονται τα αρχαιοβακτήρια μεταξύ τους. Στην πραγματικότητα, είναι δύσκολο να εξακριβωθεί εάν τα βακτήρια έχουν ακόμη και τα είδη των σταθερών χαρακτηριστικών που ένας βιολόγος μπορεί να χρησιμοποιήσει συνήθως για να ταξινομήσει ένα είδος. Για το λόγο αυτό, τα αρχαιοβακτήρια έχουν αμφισβητήσει τις παραδοσιακές μεθόδους ταξινόμησης των ειδών.

Χαρακτηριστικά των αρχαιβακτηρίων

Τα αρχαία κύτταρα που περιλαμβάνουν αρχαία/αρχαιβακτήρια εμφανίζουν έναν αριθμό χαρακτηριστικών ή ιδιοτήτων που δεν υπάρχουν σε πιο σύγχρονους τύπους κυττάρων. Οι ευκαρυώτες και τα κανονικά βακτήρια έχουν κυτταρικές μεμβράνες που αποτελούνται από φωσφολιπίδια που συνδέονται με εστέρα, αλλά στην περίπτωση των αρχαιβακτηρίων, οι κυτταρικές τους μεμβράνες αποτελούνται από φωσφολιπίδια που συνδέονται με αιθέρα. Τα Archaea δημιουργούν τις κυτταρικές τους μεμβράνες με ένα σάκχαρο που είναι διαφορετικό από το σάκχαρο πεπτιδογλυκάνης που συνθέτει τα κύτταρα των παραδοσιακών βακτηρίων, αν και η ζάχαρη που χρησιμοποιείται από τα αρχαία είναι παρόμοια σε σύνθεση.

Ενώ τα αρχαιοβακτήρια έχουν ένα μόνο στρογγυλό χρωμόσωμα όπως τα κανονικά βακτήρια, η μέθοδος μεταγραφής των γονιδίων τους είναι διαφορετική από αυτή των περισσότερων άλλων βακτηρίων. Μάλλον, η γονιδιακή μεταγραφή στα αρχαιοβακτήρια μοιάζει περισσότερο με τη μεταγραφή που συμβαίνει στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Με άλλα λόγια, οι μέθοδοι μεταγραφής γονιδίων είναι παρόμοιες μεταξύ αρχαίων και ευκαρυών, και η δημιουργία της κυτταρικής μεμβράνης είναι πιο παρόμοια στα βακτήρια και τα αρχαία. Αυτή η περίεργη αντανάκλαση της μεταγραφής γονιδίων και των μεθόδων δημιουργίας κυτταρικής μεμβράνης οδήγησε ορισμένους βιολόγους να θεωρήσουν ότι η εξέλιξη των ευκαρυωτικών κυττάρων οδηγήθηκε από τη σύντηξη βακτηρίων και αρχαιοβακτηρίων.

Τα Archaea μπορεί να συγχωνεύτηκαν με μια διαφορετική μορφή βακτηρίων σε ένα σημείο και να άρχισαν να ζουν μέσα σε αυτό το βακτηριακό κύτταρο σε ένα παράδειγμα συμβιωτικής σχέσης, μετατρέποντας τελικά στους πυρήνες που υπάρχουν στα κύτταρα άλλων οργανισμών, τα κύτταρα που έχουν οι ευκαρυώτες σήμερα. Ένας οργανισμός γνωστός ως Lokiarcheota μπορεί να αποτελεί απόδειξη αυτής της εξελικτικής διαδρομής, που αντιπροσωπεύει μια μεταβατική μορφή μεταξύ των αρχαίων και των πρώιμων ευκαρυωτών.

Μερικά αρχαϊβακτήρια είναι ικανά να επιβιώσουν σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλής αλατότητας, η οποία συνήθως έχει αποξηραντική επίδραση στα κύτταρα, σκοτώνοντάς τα. Το Halobacterium είναι ένα παράδειγμα τέτοιων ανεκτικών στο άλας αρχαοβακτηρίων. Το Halobacterium έχει τη χρωστική ουσία bacteriorhodopsin, η οποία του παρέχει χημική ενέργεια και δίνει στο halobacterium ένα μοβ χρωματισμό. Η βακτηριοροδοψίνη ωθεί επίσης πρωτόνια προς το εξωτερικό της κυτταρικής μεμβράνης και όταν τα πρωτόνια ρέουν πίσω στο κύτταρο, ξεκινούν τη σύνθεση του ATP. Η χρωστική ουσία βακτηριοροδοψίνη είναι αρκετά παρόμοια με τη ροδοψίνη, μια άλλη χρωστική που βρίσκεται στον αμφιβληστροειδή των σπονδυλωτών.

Υπάρχουν τόσο αερόβια όσο και αναερόβια είδη αρχαίων και τα βακτήρια μπορούν να βρεθούν σε ακραία περιβάλλοντα καθώς και σε κοινά περιβάλλοντα όπως το κανονικό έδαφος. Τα αρχαιοβακτήρια είναι ικανά να ασκούν αναερόβια αναπνοή, συγκεκριμένα μια μορφή αναερόβιας αναπνοής που ονομάζεται μεθανογένεση καθώς παράγει μεθάνιο ως υποπροϊόν της αναπνοής. Τα αρχαιοβακτήρια χρησιμοποιούν επίσης άλλες μορφές κυτταρικής αναπνοής, αλλά η μεθανογένεση μέσω της κυτταρικής αναπνοής είναι αποκλειστική στα αρχαιοβακτήρια. Τα βακτήρια και τα ευκαρυωτικά κύτταρα δεν μπορούν να πραγματοποιήσουν μεθανογένεση.

Τέλος, το ριβοσωμικό RNA των αρχαιβακτηρίων υποδηλώνει ότι η ευκαρία και τα βακτήρια διαχωρίστηκαν από τα αρχαία στο μακρινό παρελθόν.

Διαφορετικά είδη Archaea

Τα αρχαιοβακτήρια χωρίζονται σε τρεις διαφορετικούς τύπους και ταξινομούνται με βάση το πόσο κοντά είναι μεταξύ τους στο φυλογενετικό δέντρο ή το επίπεδο της γενετικής τους σχέσης μεταξύ τους. Κάθε τύπος αρχαιβακτηρίων έχει τα δικά του μοναδικά χαρακτηριστικά.

Crenarchaeota

Το κύριο χαρακτηριστικό αυτού του τύπου αρχαιβακτηρίων είναι ότι μπορεί να επιβιώσει σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, θερμοκρασίες έως και 230°F. Πολλά είδη αυτής της αρχαίας έχουν βρεθεί να ζουν κοντά σε υδροθερμικές οπές βαθιά στον ωκεανό, περιοχές όπου το μάγμα που αναδύεται κάτω από τον φλοιό της Γης θερμαίνει το νερό σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Έχουν επίσης ανακαλυφθεί σε θερμές πηγές. Ορισμένες θεωρίες σχετικά με την προέλευση της ζωής υπέθεσαν ότι οι αεραγωγοί βαθέων υδάτων θα μπορούσαν να ήταν ο τόπος όπου πρωτοεμφανίστηκε η ζωή, με τον σχηματισμό των πρώτων κυττάρων λόγω των ασυνήθιστων χημικών αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν σε τέτοιες περιοχές υψηλής θερμοκρασίας. Αυτός ο τύπος αρχαίας είναι επίσης ικανός να επιβιώσει σε περιβάλλοντα υψηλής οξύτητας.

Euryarchaeota

Αυτός ο τύπος αρχαίων είναι ένας από τους προαναφερθέντες τύπους που μπορούν να παράγουν μεθάνιο μέσω της κυτταρικής αναπνοής και είναι οι μόνες μορφές ζωής που είναι γνωστό ότι χρησιμοποιούν άνθρακα ως δέκτη ηλεκτρονίων κατά την εκτέλεση κυτταρικής αναπνοής. Αυτό το μοναδικό χαρακτηριστικό τους επιτρέπει να διασπούν εξαιρετικά πολύπλοκα μόρια με βάση τον άνθρακα και σημαίνει ότι εκπληρώνουν μια σημαντική οικολογική θέση που υποβαθμίζει τον άνθρακα σε μεθάνιο και διευκολύνει τον κύκλο του άνθρακα της γης. (Τα αρχαία μπορεί επίσης να διαδραματίσουν ρόλο στον κύκλο του αζώτου, καθώς οι ερευνητές βρήκαν ορισμένα παραδείγματα θαλάσσιων αρχαίων ικανών να πραγματοποιούν νιτροποίηση.)

Τα αρχαία μεθανογόνου έχουν εντοπιστεί σε κοιτάσματα ιζημάτων βαθέων υδάτων, όπου είναι υπεύθυνα για την παραγωγή απομονωμένων θυλάκων μεθανίου που βρίσκονται κάτω από τον πυθμένα του ωκεανού. Βρίσκονται επίσης σε υγροτόπους και έλη, και η χημική διάσπαση του άνθρακα και η παραγωγή μεθανίου είναι αυτό που ευθύνεται για την ξεχωριστή μυρωδιά που σχετίζεται με τα έλη και το αέριο των βάλτων. Βρίσκονται ακόμη και στο στομάχι άλλων ζώων όπως οι αγελάδες, όπου βοηθούν την αγελάδα να αφομοιώσει ορισμένους τύπους σακχάρων που τα ευκαρυωτικά κύτταρα δεν μπορούν να αφομοιώσουν.

Το Methanobacterium ruminatium είναι ένα παράδειγμα των αρχαιβακτηρίων που βρίσκονται στο πεπτικό σύστημα των μηρυκαστικών ζώων (θηλαστικά ικανά να λαμβάνουν θρεπτικά συστατικά από φυτικές τροφές). Οι άνθρωποι έχουν ακόμη και μερικά από αυτά τα βακτήρια που ζουν μέσα στο πεπτικό μας σύστημα και εκτελούν παρόμοια λειτουργία με τα αρχαιοβακτήρια της αγελάδας.

Κοραρχαιώτα

Τα Korarchaeota είναι πιθανώς ο αρχαιότερος τύπος αρχαίων και επομένως θα μπορούσαν να είναι οι αρχαιότεροι οργανισμοί σε ολόκληρο τον πλανήτη. Όπως και τα Crenarchaeota, μπορούν να βρεθούν κοντά σε υδροθερμικές οπές. Μοιράζονται επίσης πολλά γονίδια με το Crenarchaeota. Στην πραγματικότητα, η Korarchaeota όχι μόνο μοιράζεται γονίδια με την Crenarchaeota, αλλά μοιράζονται γονίδια και με την Euryarcheaota. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαν να είναι ένας κοινός πρόγονος κοντά στον Κοραρχαίο στο φυλογενετικό δέντρο από το οποίο κατέβηκαν τα Κρεναρχαιώτα και Ευρυρχέα. Ενώ τα Κοραρχαιώτα είναι από τις παλαιότερες μορφές ζωής στον πλανήτη, βρίσκονται μάλλον σπάνια στη φύση, εκτός από τις επιλεκτικές κόγχες των θερμών πηγών και των αεραγωγών βαθέων υδάτων.