22.1: Прокаріотичне різноманіття

Навички для розвитку

• Опишіть еволюційну історію прокаріотів
• Обговоріть відмінні риси екстремофілів
• Поясніть, чому важко культивувати прокаріотів

Прокаріоти поширені повсюдно. Вони покривають кожну уявну поверхню, де є достатня кількість вологи, і вони живуть як на інших живих істотах, так і всередині них. У типовому людському організмі клітини прокаріотів перевершують кількість клітин людського тіла приблизно на десять до одного. Вони складають більшість живих істот у всіх екосистемах. Деякі прокаріоти процвітають у середовищах, непривітних для більшості живих істот. Прокаріоти переробляють поживні речовини - основні речовини (такі як вуглець та азот) - і вони керують еволюцією нових екосистем, деякі з яких є природними, а інші техногенними. Прокаріоти були на Землі ще задовго до появи багатоклітинного життя.

Прокаріоти, перші жителі Землі

Коли і де почалося життя? Якими були умови на Землі, коли почалося життя? Прокаріоти були першими формами життя на Землі, і існували вони мільярди років до появи рослин і тварин. Вважається, що Землі та її Місяця близько 4,54 мільярда років. Ця оцінка базується на даних радіометричного датування метеоритного матеріалу разом з іншим матеріалом субстрату з Землі та Місяця. Рання Земля мала зовсім іншу атмосферу (містила менше молекулярного кисню), ніж сьогодні, і піддавалася сильному випромінюванню; таким чином, перші організми процвітали б там, де вони були більш захищені, наприклад, в океанських глибині або під поверхнею Землі. У цей час також на Землі була поширена сильна вулканічна активність, тому цілком ймовірно, що ці перші організми - перші прокаріоти - були адаптовані до дуже високих температур. Рання Земля була схильна до геологічних потрясінь і виверження вулканів і піддавалася бомбардуванню мутагенним випромінюванням сонця. Першими організмами були прокаріоти, які могли протистояти цим суворим умовам.

Мікробні килимки

Мікробні килимки або великі біоплівки можуть представляти найдавніші форми життя на Землі; є викопні докази їх присутності, починаючи приблизно 3,5 мільярда років тому. Мікробний килимок - це багатошаровий лист прокаріотів (рис.\(\PageIndex{1}\)), що включає в себе в основному бактерії, але і архей. Мікробні килимки мають товщину в кілька сантиметрів, і вони, як правило, ростуть там, де різні типи матеріалів стикуються, переважно на вологих поверхнях. Різні типи прокаріотів, що входять до їх складу, здійснюють різні метаболічні шляхи, і це є причиною їх різних кольорів. Прокаріоти в мікробному килимку утримуються клейоподібною липкою речовиною, яку вони виділяють під назвою позаклітинний матрикс.

Перші мікробні мати, ймовірно, отримували свою енергію від хімічних речовин, знайдених поблизу гідротермальних отворів. Гідротермальний вентиляційний отвір - це обрив або тріщина на поверхні Землі, яка виділяє геотермально нагріту воду. З еволюцією фотосинтезу близько 3 мільярдів років тому деякі прокаріоти в мікробних матах стали використовувати більш широко доступне джерело енергії - сонячне світло - тоді як інші все ще залежать від хімічних речовин з гідротермальних вентиляційних отворів для енергії та їжі.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Цей (а) мікробний килимок діаметром близько одного метра росте над гідротермальним вентиляційним отвором у Тихому океані в регіоні, відомому як «Тихоокеанське вогненне кільце». Килимок сприяє збереженню мікробних поживних речовин. Димарі, такі як вказана стрілкою, дозволяють газам виходити. (б) На цій мікрофотографії бактерії візуалізуються за допомогою флуоресцентної мікроскопії. (Кредит a: модифікація роботи доктора Боба Емблі, NOAA PMEL, головний науковий співробітник; кредит b: модифікація роботи Рікардо Мурга, Родні Донлан, CDC; дані шкали від Метта Рассела)

Строматоліти

Скам'янілі мікробні мати являють собою найдавніші записи життя на Землі. Строматоліт - це осадова структура, що утворюється при випаданні мінералів з води прокаріотами в мікробному маті (рис.\(\PageIndex{2}\)). Строматоліти утворюють шаруваті породи, виготовлені з карбонату або силікату. Хоча більшість строматолітів є артефактами з минулого, на Землі є місця, де все ще утворюються строматоліти. Наприклад, зростаючі строматоліти були знайдені в державному парку пустелі Анза-Боррего в окрузі Сан-Дієго, штат Каліфорнія.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) Ці живі строматоліти розташовані в затоці Шарк, Австралія. (b) Ці скам'янілі строматоліти, знайдені в Національному парку Льодовик, штат Монтана, мають майже 1,5 мільярда років. (Кредит на: Роберт Янг; кредит b: Каррара П., NPS)

Стародавня атмосфера

Докази свідчать про те, що протягом перших двох мільярдів років існування Землі атмосфера була аноксичною, а це означає, що молекулярного кисню не було. Тому жити змогли лише ті організми, які можуть рости без кисню - анаеробні організми. Автотрофні організми, які перетворюють сонячну енергію в хімічну енергію, називаються фототрофами, і з'явилися вони протягом одного мільярда років освіти Землі. Потім ціанобактерії, також відомі як синьо-зелені водорості, еволюціонували з цих простих фототрофів мільярд років потому. Ціанобактерії (рис.\(\PageIndex{3}\)) почали оксигенацію атмосфери. Збільшення атмосферного кисню дозволило розробити більш ефективні O ₂ -використовуючи катаболічні шляхи. Це також відкрило землю для посиленої колонізації, оскільки деякі O ₂ перетворюються на O ₃ (озон), а озон ефективно поглинає ультрафіолетове світло, яке інакше спричинить летальні мутації в ДНК. Зрештою, збільшення концентрацій O ₂ дозволило еволюцію інших форм життя.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Це гаряче джерело в Єллоустонському національному парку тече на передньому плані. Ціанобактерії навесні зелені, і в міру стікання води по градієнту інтенсивність забарвлення збільшується в міру збільшення щільності клітин. Вода прохолодніше по краях потоку, ніж в центрі, внаслідок чого краю здаються зеленішими. (кредит: Грасіела Бреллес-Маріньо)

Мікроби пристосовуються: життя в помірних і екстремальних середовищах

Деякі організми розробили стратегії, що дозволяють їм виживати в суворих умовах. Прокаріоти процвітають у величезному діапазоні середовищ: деякі ростуть в умовах, які здаються нам дуже нормальними, тоді як інші здатні процвітати і рости в умовах, які б вбили рослину чи тварину. Практично всі прокаріоти мають клітинну стінку, захисну структуру, що дозволяє їм виживати як в гіпер-, так і в гіпоосмотических умовах. Деякі ґрунтові бактерії здатні утворювати ендоспори, які протистоять спеці і посухи, тим самим дозволяючи організму виживати до повторних сприятливих умов. Ці пристосування, поряд з іншими, дозволяють бактеріям бути найпоширенішою формою життя у всіх наземних та водних екосистемах.

Інші бактерії і археї пристосовані для зростання в екстремальних умовах і називаються екстремофілами, що означає «любителі крайнощів». Екстремофіли були знайдені у всіх видах середовищ: глибині океанів, гарячих джерел, Арктики та Антарктики, у дуже сухих місцях, глибоко всередині Землі, у суворих хімічних середовищах та в умовах високої радіації (Рисунок\(\PageIndex{4}\)), лише кажучи про декілька. Ці організми дають нам краще розуміння прокаріотичного різноманіття та відкривають можливість пошуку нових видів прокаріотів, які можуть призвести до відкриття нових терапевтичних препаратів або мають промислове застосування. Оскільки вони мають спеціалізовані пристосування, які дозволяють їм жити в екстремальних умовах, багато екстремофілів не можуть вижити в помірних умовах. Існує багато різних груп екстремофілів: вони ідентифікуються виходячи з умов, в яких вони найкраще ростуть, і кілька середовищ існування є екстремальними різними способами. Наприклад, содове озеро буває і солоним, і лужним, тому організми, що живуть в содовому озері, повинні бути як лугами, так і галофілами (табл.\(\PageIndex{1}\)). Інші екстремофіли, як і радіорезистентні організми, не вважають за краще екстремальне середовище (в даному випадку таке з високим рівнем радіації), але пристосувалися виживати в ній (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Екстремофіли та їх бажані умови

Тип екстремофілів	Умови оптимального зростання
ацидофіли	рН 3 або нижче
лужні	рН 9 або вище
Термофіли	Температура 60-80° C (140—176° F)
Гіпертермофіли	Температура 80-122° C (176—250° F)
психрофіли	Температура -15-10° C (5-50° F) або нижче
Галофіли	Концентрація солі не менше 0,2 М
Осмофіли	Висока концентрація цукру

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Deinococcus radiodurans, візуалізований на цій помилковій кольоровій електронній мікрофотографії, є прокаріот, який може переносити дуже високі дози іонізуючого випромінювання. Він розробив механізми відновлення ДНК, які дозволяють йому реконструювати свою хромосому, навіть якщо вона була розбита на сотні частин випромінюванням або теплом. (кредит: модифікація роботи Майкла Дейлі; дані шкали від Метта Рассела)

Прокаріоти в Мертвому морі

Одним із прикладів дуже суворого середовища є Мертве море, гіперсольовий басейн, який розташований між Йорданією та Ізраїлем. Гіперсолінові середовища - це по суті концентрована морська вода. У Мертвому морі концентрація натрію в 10 разів вища, ніж у морській воді, а вода містить високий вміст магнію (приблизно в 40 разів вище, ніж у морській воді), який був би токсичним для більшості живих істот. Залізо, кальцій та магній, елементи, що утворюють двовалентні іони (Fe ²⁺, Ca 2+ та Mg ²⁺), виробляють те, що зазвичай називають «жорсткою» водою. Разом, висока концентрація двовалентних катіонів, кислий рН (6,0) та інтенсивний потік сонячного випромінювання роблять Мертве море унікальною і однозначно ворожою екосистемою ¹ (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Яких прокаріотів ми знаходимо в Мертвому морі? Надзвичайно стійкі до солі бактеріальні мати включають Halobacterium, Haloferax volcanii (який зустрічається в інших місцях, не тільки в Мертвому морі), Halorubrum sodomense, і Halobaculum gomorrense, і архея Haloarcula marismortui, серед інші.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): (а) Мертве море є гіперсольовим. Тим не менш, в цьому морі процвітають толерантні до солі бактерії. (б) Ці клітини галобактерій можуть утворювати толерантні до солі бактеріальні мати. (кредит: Жюльєн Менічіні; кредит b: NASA; дані шкали від Метта Рассела)

Некультурні прокаріоти та життєздатна, але некультурна держава

Зазвичай мікробіологи вирощують прокаріоти в лабораторії, використовуючи відповідне культуральне середовище, що містить всі поживні речовини, необхідні організу-мішенню. Засіб може бути рідким, бульйонним або твердим. Після інкубаційного часу при потрібній температурі повинні бути дані про зростання мікробів (рис.\(\PageIndex{6}\)). Процес культивування бактерій складний і є одним з найбільших відкриттів сучасної науки. Німецькому лікарю Роберту Коху приписують відкриття методів чистої культури, включаючи фарбування та використання середовищ росту. Його помічник Юлій Петрі винайшов чашку Петрі, використання якої зберігається і в сучасних лабораторіях. Кох працював насамперед з бактерією Mycobacterium tuberculosis, яка викликає туберкульоз, та розробила постулати для виявлення хвороботворних організмів, які продовжують широко використовуватися в медичному співтоваристві. Постулати Коха включають, що організм може бути ідентифікований як причину захворювання, коли він присутній у всіх інфікованих зразках і відсутній у всіх здорових зразках, і він здатний відтворювати інфекцію після багаторазового культивування. Сьогодні культури залишаються основним діагностичним інструментом в медицині та інших областях молекулярної біології.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): У цих агарових пластинках середовище для росту доповнюється еритроцитами. Агар крові стає прозорим при наявності гемолітичного стрептокока, який руйнує еритроцити і використовується для діагностики інфекцій стрептокока. Пластинку зліва прищеплюють негемолітическим стафілококом (великими білими колоніями), а пластину праворуч щеплять гемолітичним стрептококом (крихітними прозорими колоніями). Якщо уважно придивитися до потрібної тарілки, то можна побачити, що агар, що оточує бактерії, вийшов прозорим. (кредит: Білл Бренсон, NCI)

Деякі прокаріоти, однак, не можуть рости в лабораторних умовах. Насправді понад 99 відсотків бактерій та архей некультурні. Здебільшого це пов'язано з відсутністю знань щодо того, чим годувати ці організми та як їх вирощувати; вони мають особливі вимоги до росту, які залишаються невідомими вченим, наприклад, потребують конкретних мікроелементів, рН, температури, тиску, кофакторів або ко-метаболітів. Деякі бактерії не можна культивувати, оскільки вони є облігатними внутрішньоклітинними паразитами і не можуть бути вирощені поза клітиною-господарем.

В інших випадках культивувані організми стають некультурними в стресових умовах, хоча той самий організм можна було культивувати раніше. Ті організми, які не можна культивувати, але не мертві, знаходяться в життєздатному, але некультурному стані (VBNC). Стан VBNC виникає, коли прокаріоти реагують на стресори навколишнього середовища, вступаючи в сплячий стан, що дозволяє їх виживання. Критерії вступу в стан ВБНК до кінця не вивчені. У процесі, який називається реанімацією, прокаріот може повернутися до «нормального» життя, коли умови навколишнього середовища покращуються.

Чи є стан ВБНК незвичайним способом життя для прокаріотів? Насправді більшість прокаріотів, що живуть у ґрунті або в океанічних водах, не підлягають культурі. Було сказано, що лише невелика частка, можливо, один відсоток прокаріотів може бути культивована в лабораторних умовах. Якщо ці організми некультурні, то як відомо, чи є вони присутніми і живими? Мікробіологи використовують молекулярні методи, такі як полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР), для ампліфікації відібраних ділянок ДНК прокаріотів, демонструючи їх існування. Нагадаємо, що ПЛР може зробити мільярди копій сегмента ДНК в процесі, який називається ампліфікацією.

Екологія біоплівок

Ще пару десятиліть тому мікробіологи вважали прокаріотів ізольованими істотами, що живуть окремо. Ця модель, однак, не відображає справжню екологію прокаріотів, більшість з яких воліють жити в громадах, де вони можуть взаємодіяти. Біоплівка - це мікробна спільнота (рис.\(\PageIndex{7}\)), що утримується разом у матриці з гумоподібною текстурою, яка складається переважно з полісахаридів, що виділяються організмами, разом з деякими білками та нуклеїновими кислотами. Біоплівки ростуть прикріпленими до поверхонь. Деякі з найбільш вивчених біоплівок складаються з прокаріотів, хоча також були описані грибкові біоплівки, а також деякі складаються з суміші грибів та бактерій.

Біоплівки присутні практично скрізь: вони можуть викликати засмічення труб і охоче колонізувати поверхні в промислових умовах. Останнім часом масштабні спалахи бактеріального зараження їжі біоплівки зіграли головну роль. Вони також колонізують побутові поверхні, такі як кухонні прилавки, обробні дошки, раковини та туалети, а також місця на тілі людини, такі як поверхні наших зубів.

Взаємодія між організмами, що населяють біоплівку, разом із їх захисним екзополісахаридним (EPS) середовищем роблять ці спільноти більш надійними, ніж вільно живуть або планктонні прокаріоти. Клейка речовина, яка утримує бактерії разом, також виключає більшість антибіотиків та дезінфікуючих засобів, роблячи бактерії біоплівки витривалішими, ніж їх планктонічні аналоги. Загалом, біоплівки дуже важко знищити, оскільки вони стійкі до багатьох поширених форм стерилізації.

Мистецтво З'єднання

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Показано п'ять етапів розвитку біоплівки. Під час першого етапу, початкового приєднання, бактерії прилипають до твердої поверхні через слабкі взаємодії ван дер Ваальса. Під час 2 стадії незворотного прикріплення, волосяні придатки, які називаються пілі, постійно закріплюють бактерії на поверхні. Під час 3 стадії дозрівання I біоплівка зростає за рахунок поділу клітин і набору інших бактерій. Позаклітинний матрикс, що складається переважно з полісахаридів, утримує біоплівку разом. Під час 4 стадії дозрівання II біоплівка продовжує рости і набуває більш складну форму. Під час 5 стадії розгону матриця біоплівки частково руйнується, що дозволяє деяким бактеріям втекти та колонізувати іншу поверхню. Наведено мікрофотографії біоплівки Pseudomonas aeruginosa на кожному з етапів розвитку. (Кредит: Д. Девіс, Дон Монро, PLoS)

Порівняно з вільно плаваючими бактеріями, бактерії в біоплівках часто виявляють підвищену стійкість до антибіотиків та миючих засобів. Як ви думаєте, чому це може бути так?

Резюме

Прокаріоти існували мільярди років до появи рослин і тварин. Гарячі джерела та гідротермальні отвори, можливо, були середовищем, в якому почалося життя. Вважається, що мікробні килимки представляють найдавніші форми життя на Землі, і є викопні докази їх присутності близько 3,5 мільярдів років тому. Мікробний мат - це багатошаровий лист прокаріотів, який росте на стиках між різними типами матеріалу, в основному на вологих поверхнях. Протягом перших 2 мільярдів років атмосфера була аноксичною і жити змогли лише анаеробні організми. Ціанобактерії еволюціонували з ранніх фототрофів і почали оксигенацію атмосфери. Збільшення концентрації кисню дозволило еволюції інших форм життя. Скам'янілі мікробні мати називаються строматолітами і складаються з ламінованих органоосадових структур, утворених осадженням мінералів прокаріотами. Вони являють собою найдавніші викопні записи життя на Землі.

Бактерії і архей ростуть практично в кожному середовищі. Ті, що виживають в екстремальних умовах, називаються екстремофілами (любителями екстриму). Деякі прокаріоти не можуть рости в лабораторних умовах, але вони не мертві. Вони знаходяться в життєздатному, але некультурному стані (VBNC). Стан VBNC виникає, коли прокаріоти вступають у сплячий стан у відповідь на стресори навколишнього середовища. Більшість прокаріотів є соціальними і вважають за краще жити в громадах, де відбувається взаємодія. Біоплівка - це мікробна спільнота, що утримується разом у матриці з гумоподібною текстурою.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Порівняно з вільно плаваючими бактеріями, бактерії в біоплівках часто виявляють підвищену стійкість до антибіотиків та миючих засобів. Як ви думаєте, чому це може бути так?

Відповідь

Позаклітинний матрикс і зовнішній шар клітин захищає внутрішні бактерії. Безпосередня близькість клітин також полегшує бічний перенос генів - процес, за допомогою якого такі гени, як гени резистентності до антибіотиків, передаються від однієї бактерії до іншої. І навіть якщо бічний перенесення генів не відбувається, одна бактерія, яка виробляє екзофермент, що руйнує антибіотик, може врятувати сусідні бактерії.

Виноски

1. 1 Бодакер, Я, Ітай, С, Сузукі, МТ, Файнгерш, Р, Розенберг, М, Магуайр, ME, Шимшон, Б та інші. Порівняльна геноміка спільноти в Мертвому морі: все більш екстремальне середовище. Журнал ISME 4 (2010): 399—407, дої:10.1038/ismej.2009.141. опублікований в Інтернеті 24 грудня 2009 року.

Глосарій

ацидофіл

організм з оптимальним ростом рН трьох або нижче

лужний

організм з оптимальним ростом рН дев'яти або вище

анаеробні

відноситься до організмів, які ростуть без кисню

аноксичний

без кисню

біоплівка

мікробне співтовариство, яке утримується разом гумоподібно-текстурованою матрицею

ціанобактерій

бактерії, які еволюціонували з ранніх фототрофів і насичували атмосферу киснем; також відомі як синьо-зелені водорості

екстремофіл

організм, який росте в екстремальних або суворих умовах

галофіл

організму, які потребують концентрації солі не менше 0,2 М

гідротермальний вентиляційний

тріщина на поверхні Землі, яка виділяє геотермально нагріту воду

гіпертермофіл

організм, що росте при температурі від 80 до 122° C

мікробний килимок

багатошаровий лист прокаріотів, до складу якого можуть входити бактерії і архей

поживних

необхідні речовини для росту, такі як вуглець і азот

осмофіл

організм, який росте у високій концентрації цукру

фототроф

організм, який здатний самостійно виробляти їжу, перетворюючи сонячну енергію в хімічну

психрофіл

організм, що росте при температурі -15° C або нижче

радіорезистентний

організм, який росте при високому рівні радіації

реанімації

процес, за допомогою якого прокаріоти, що знаходяться в стані VBNC, повертаються до життєздатності

строматоліт

шарувата осадова структура, утворена осадженням мінералів прокаріотами в мікробних матах

термофіл

організм, який живе при температурі від 60 до 80° C

життєздатне, але некультурне (VBNC) держава

механізм виживання бактерій, що стикаються зі стресовими умовами навколишнього середовища