Основно съдържание

Курс: Биология 7-10 клас Общообразователна подготовка > Раздел 3

Урок 5: Прокариотни и еукариотни клетки

Класификация и видове прокариоти

Различни групи прокариоти. Еволюционни връзки между бактерии и археи. Екстремофили.

Ключови точки:

Двете прокариотни империи – Бактерии и Археи – са се разделили в ранните етапи от еволюцията на живота.
Има най-различни видове бактерии – от болестотворни патогени до полезни фотосинтезиращи бактерии и симбионти.
Археите също включват разнообразни видове, но сред тях няма патогени и повечето виреят в екстремни условия.
Подходът, при който се използват ДНК секвениране, се нарича метагеномика и позволява на учените да идентифицират нови видове бактерии и археи, включително такива, които не подлеждат на отглеждане.

Въведение

Прокариотите включват бактерии и археи и могат да бъдат открити почти навсякъде – във всяка екосистема, по всяка повърхност в домовете ни, както и вътре в телата ни! Някои от тях обитават среди с твърде екстремни условия за други организми, като например горещите хидротермални комини на морското дъно.

Въпреки че прокариотите са навсякъде около нас, не е толкова лесно да бъдат открити, преброени и класифицирани. Познатите ни днес прокариотни видове са съвсем малка част от всички прокариоти, за които се смята, че съществуват.

^{1}

Всъщност, в света на прокариотите дори самата представа за "вида" не е толкова проста!

В тази статия най-напред ще се спрем на основните групи прокариоти. След това ще разгледаме защо често е толкова трудно да ги идентифицираме и класифицираме. Накрая ще разберем как методите на ДНК секвениране ни помагат да добием по-добра представа относно прокариотите, които ни заобикалят.

"Родословно дърво" на прокариотите

За дълъг период от време всички прокариоти са били класифицирани в обща империя (най-високият таксономичен ранг).

Обаче с работата си през 70-те години микробиологът Карл Воуз доказва, че прокариотите се разделят на две ясно разграничими родословия или родословни линии: Археи и Бактерии. Днес се счита, че тези групи формират две от трите биологични империи. Третата империя (Eukarya) включва всички еукариоти – растения, животни и гъби.

^{2}

Воуз направил това откритие, като проучвал последователности на рибозомна РНК от много различни организми. Гените на рибозомната РНК (рРНК) често се използват за построяване на еволюционни дървета, или филогении, които показват връзките между видовете. рРНК гените са добри за определяне на еволюционните връзки между видовете (колко свързан е един вид към друг), понеже имат една и съща функция между организмите и еволюират бавно с времето.

^{3}

Като цяло, повече разлики в рРНК последователностите съответства на по-далечна еволюционна връзка между два организма, докато по-малко разлики индикират по-близка еволюционна връзка. Можеш да научиш повече за тази идея във видеото за филогенетичните дървета.

След като се разделили едни от други преди милиони години, бактериите и археите от своя страна се разделили на много групи и видове.

Бактерии

Империя Бактерии включва

5

основни групи: протеобактерии, хламидии, спирохети, цианобактерии и грам-положителни бактерии.

Протеобактериите се подразделят на пет групи, кръстени на буквите от алфа до епсилон. Видовете от тези групи имат най-различни начини на живот. Някои живеят в симбиоза с растения, други обитават хидротермални комини на морското дъно, а трети пък причиняват човешки заболявания, например стомашни язви (Helicobacter pylori) и хранително отравяне (Salmonella).

Източник на изображението: "Structure of prokaryotes: Figure 4" от OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Оригинална работа на: “Rickettsia rickettsia”: модификация на работата на CDC; за “Spirillum minus”: модификация на работата на Wolframm Adlassnig; за “Vibrio cholera”: модификация на работата на Janice Haney Carr, CDC; за “Desulfovibrio vulgaris”: модификация на работата на Graham Bradley; за “Campylobacter”: модификация на работата на De Wood, Pooley, USDA, ARS, EMU; диаграмни данни от Matt Russell.

Другите четири основни групи бактерии са също толкова разнообразни. Хламидиите са патогени, които обитават приемни клетки, а цианобактериите са фотосинтезиращи бактерии, които произвеждат голяма част от кислорода на Земята. Спирохетите включват както безобидни, така и опасни за здравето бактерии, като Borrelia burgdorferi, причинител на лаймската болест. Същото важи и за Грам-положителните бактерии – те обхващат както пробиотичните бактерии в киселото мляко, така и Bacillus anthracis, които причиняват антракс.

^{4}

Източник на изображението: "Structure of prokaryotes: Figure 5" от OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Оригинални изображения на: “Chlamydia trachomatis”: модификация на работа от Dr. Lance Liotta Laboratory, NCI; за “Treponema pallidum”: модификация на работа от Dr. David Cox, CDC; за “Phormidium”: модификация на работа от USGS; за “Clostridium difficile”: модификация на работа от Lois S. Wiggs, CDC; диаграмни данни от Matt Russell.

Археи

Империя Археи включва

4

основни групи. Любопитно е да се отбележи, че все още не са открити патогенни археи.

Археите живеят в телата на хората и животните – например в червата. Изглежда всички видове са безобидни или дори полезни. Съществуват различни хипотези, но все още не е изяснено защо всички археи са "приятелски настроени", т.е. защо не са се развили видове, които да причиняват болести.

^{5}

Освен археите, които се наслаждават на комфортен живот сред човешките черва, съществуват и много екстремофили. Тези видове обитават много по-негостоприемни места, като например вулканични горещи извори, подводни хидротермални комини и много солени водоеми като Мъртво море.

Източник на изображението: "Structure of prokaryotes: Figure 6" от OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Оригинална работа на: “Halobacterium”: модификация на работа на NASA; за “Nanoarchaeotum equitans”: модификация на работа на Karl O. Stetter; за “korarchaeota”: модификация на работа на Office of Science of the U.S. Dept. of Energy; диаграмни данни отMatt Russell.

Както бактериите, така и археите са приспособени да растат при екстремни условия, затова се наричат екстремофили , което означава "любители на екстремното". Екстремофилите са открити на различни места: дълбоко в океаните, в горещите извори, на Антарктика, на много сухи места, дълбоко навътре в Земята, в сурови химични среди, в условия на висока радиация, както и други.

Има различни групи екстремофили, определени от предпочитанията си (или поне необходимите за оцеляването им) условия. Разбира се, хабитатите могат да са екстремни по различен начин. Например соденото езеро е и солено, и алкално, така че организмите, които живеят в него, трябва да са и халофили (обичащи сол) и алкалифили (обичащи високо рН).

Таблицата по-долу описва класовете екстреморфили и условията, които предпочитат:

Вид екстреморфил	Типични условия за растеж
Ацидофили	$pH$ ‍ $3$ ‍ или по-ниско
Алкалифили	$pH$ ‍ $9$ ‍ или повече
Термофили	Температура $60$ ‍ $-$ ‍ $80$ ‍ $° C$ ‍ ( $140$ ‍ $-$ ‍ $176$ ‍ $° F$ ‍)
Хипертермофили	Температура $80$ ‍ $-$ ‍ $122$ ‍ $° C$ ‍ ( $176$ ‍ $-$ ‍ $250$ ‍ $° F$ ‍)
Психрофили	Температура от $- 15$ ‍ $-$ ‍ $10$ ‍ $° C$ ‍ ( $5$ ‍ $-$ ‍ $50$ ‍ $° F$ ‍) или по-ниска
Халофили	Концентрация на сол от поне $0, 2$ ‍ $M$ ‍
Осмофили	Висока концентрация на захар

Таблица от OpenStax College, Biology.

Многобройните "мистериозни прокариоти"

Дълги години основният начин, по който учените изучавали прокариотите, бил отглеждането им в лаборатория. Всеки организъм, който можел да бъде отгледан на агарова плака или в течна среда, след това можел да бъде изучен, анализиран и добавен към нарастващия каталог от прокариотни видове и щамове.

Някои прокариоти обаче не могат да растат в лаборатория (или поне не и при условията, изпробвани от учените). Всъщност, около

99 %

от бактериите и археите не могат да бъдат култивирани!

На тези агарови плочки растежната среда е обогатена с червени кръвни клетки. Кръвният агар става прозрачен при наличието на хемолитични стрептококови бактерии, както е показано на плочката вдясно. Изображение на: Prokaryotic diversity: Figure 6 от OpenStax College, Biology, (CC BY 4.0). Оригинално изображение от Bill Branson, NCI.

Това представлява доста сериозен пропуск в оценките ни за съществуващите видове прокариоти. За сравнение – познати са

8, 7

милиона

еукариотни вида

^{6}

. Ако проблемът с отглеждането на култури се прилагаше към еукариотите в същата степен, в която към прокаротите, щяхме да познаваме само

87 000

от тези видове. Това щеше да направи дървото на живота много бедно и знанията ни за еукариотите (като група) много непълни. Все едно да знаем, че има животни, но да не знаем за растенията или гъбите!

Какво е прокариотен вид?

За да говорим за откриването на прокариотни видове, вероятно трябва да дефинираме какво са те. Това може да изглежда основен въпрос, но е сложен и дори противоречив, ако си микробиолог.

При еукариотите повечето учени дефинират вида като група организми, които могат да се размножават помежду си и да имат фертилно поколение. Това определение има смисъл за видове, които се възпроизвеждат полово, но не работи толкова добре за организми като бактериите. Бактериите се възпроизвеждат безполово, за да направят свои клонинги – те не се размножават помежду си.

Вместо това учените класифицират бактериите и археите в таксономични групи въз основа на сходства във външния вид, физиологията и гените.

^{7}

На много от тях се дават имена чрез използване на традиционната таксономия на Карл Линей, с род и вид. Все още въпросът как и дали прокариотите трябва да бъдат групирани във видове се дебатира от учените. Подходящото "определение за вид" за тези организми все още се уточнява.

^{8}

Метагеномика: Нов прозорец към микробите

Учените изчисляват, че може да има милиони прокариотни видове (или видоподобни групи), но знаем много малко за повечето от тях.

^{1}

Това започва да се променя, благодарение на широкомащабното ДНК секвениране.

ДНК секвенирането прави възможно учените да проучват цели прокариотни общества в естествените им хабитати – включително многото прокариоти, които не могат да се култивират и преди биха били "невидими" за изследователите.

Колективният геном на такава общност се нарича метагеном и анализът на метагеномните последователности е известен като метагеномика. Прокариотната метагеномика е една от областите на биологията, която смятам за най-готина и най-мистериозна.

Например ДНК проба може да бъде взета от микробна покривка в горещ извор, като красивите, многоцветни покривки, които се срещат в Национален парк Йелоустоун. Дори малка проба от тази богата общност включва много, много индивиди от различни видове.

^{9}

Чрез секвениране и анализ на проби на метагеномната ДНК учените могат понякога да разкрият цели геноми на досега неизвестни видове. В други случаи те използват информацията за специфични гени, за да разберат какви видове прокариоти присъстват (и как те са свързани един с друг или с известни видове). Гени, които се намират в ДНК проби, могат да дадат сведения за метаболитните стратегии на организми в съобществото.

^{10}

Източници

Тази статия е производна модификация на следните статии:

"Structure of prokaryotes," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.12.
"Видове прокариоти" от Колеж ОупънСтакс, Биология, CC BY 4.0. Download the original article for free at http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.12.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Ward, B. B. (2002). How many species of prokaryotes are there? Proc. Natl. Acad. Sci., 99(16), 10234-10236. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.162359199.
Eisen, J. and Coil, D. (n.d.). Fact sheet: rRNA in evolutionary studies and environmental sampling. In microBEnet. Retrieved from http://microbe.net/simple-guides/fact-sheet-rrna-in-evolutionary-studies-and-environmental-sampling/.
Eisen, J. and Coil, D. (n.d.). Fact sheet: Ribosomal RNA (rRNA), the details. In microBEnet. Retrieved from http://www.microbe.net/simple-guides/fact-sheet-ribosomal-rna-rrna-the-details/.
Yogurt. (2013, November 30). Retrieved October 29, 2016 from MicrobeWiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Yogurt.
Gill, Erin E. and Brinkman, Fiona S. L. (2011). The proportional lack of archaeal pathogens: Do viruses/phages hold the key? Bioessays, 33, 248. http://dx.doi.org/10.1002/bies.201000091.
Sweetlove, L. (2011, August 23). Number of species on Earth tagged at 8.7 million. In Nature. Retrieved from http://www.nature.com/news/2011/110823/full/news.2011.498.html.
Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., and Heller, H. C. (2003). Bacteria and archaea: The prokaryotic domains. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 533). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.
Gevers, D., Cohan, F. M., Lawrence, J. G., Spratt, B. G., Coenye, T., Feil, E. J., Stackebrandt, E., Van de Peer, Y., Vandamme, P., Thompson, F. L., and Swings, J. (2005). Re-evaluating prokaryotic species. Nat. Rev. Microbiol., 3, 733-739. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16138101.
Klatt, C. G., Wood, J. M., Rusch, D. B., Bateson, M. M., Hamamura, N., Heidelberg, J. F., Grossman, A. R., Bhaya, D., Cohan, F. M., Kühl, M., and Bryant, D. A. (2011). Community ecology of hot spring cyanobacterial mats: predominant populations and their functional potential. ISME J, 5, 1262-1278. Retrieved from https://dpb.carnegiescience.edu/sites/dpb.carnegiescience.edu/files/Klatt_2011.pdf.
Sharpton, Thomas J. (2014). An introduction to the analysis of shotgun metagenomic data. Front. Plant Sci. http://dx.doi.org/10.3389/fpls.2014.00209.

Препратки:

American Society for Microbiology. (2006). Archaea: Where they're found. In Microbe world. Retrieved from http://www.microbeworld.org/types-of-microbes/archaea/where-they-re-found.

Boundless. (2015, July 21). Shared features of archaea and eukaryotes. In Boundless Microbiology. Retrieved from https://www.boundless.com/microbiology/textbooks/boundless-microbiology-textbook/microbial-genetics-7/archaeal-genetics-78/shared-features-of-archaea-and-eukaryotes-437-4635/.

Cooper, G. M. (2000). The origin and evolution of cells. In The cell: A molecular approach. (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9841/.

Doolittle, W. F. and Zhaxybayeva, O. (2009). On the origin of prokaryotic species. Genome Res., 19, 744-756. http://dx.doi.org/10.1101/gr.086645.108.

Eisen, J. (n.d.). Fact sheet: rRNA in evolutionary studies and environmental sampling. In microBEnet. Retrieved from http://microbe.net/simple-guides/fact-sheet-rrna-in-evolutionary-studies-and-environmental-sampling/.

European Food Information Council. (1999). Lactic acid bacteria - their uses in food. In Functional foods. Retrieved from http://www.eufic.org/article/en/nutrition/functional-foods/artid/lactic-acid-bacteria/.

Gevers, D., Cohan, F. M., Lawrence, J. G., Spratt, B. G., Coenye, T., Feil, E. J., Stackebrandt, E., Van de Peer, Y., Vandamme, P., Thompson, F. L., and Swings, J. (2005). Re-evaluating prokaryotic species. Nat. Rev. Microbiol., 3, 733-739. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16138101.

Gill, Erin E. and Brinkman, Fiona S. L. (2011). The proportional lack of archaeal pathogens: Do viruses/phages hold the key? Bioessays, 33, 248-254. http://dx.doi.org/10.1002/bies.201000091.

Klatt, C. G., Wood, J. M., Rusch, D. B., Bateson, M. M., Hamamura, N., Heidelberg, J. F., Grossman, A. R., Bhaya, D., Cohan, F. M., Kühl, M., and Bryant, D. A. (2011). Community ecology of hot spring cyanobacterial mats: predominant populations and their functional potential. ISME J, 5, 1262-1278. Retrieved from https://dpb.carnegiescience.edu/sites/dpb.carnegiescience.edu/files/Klatt_2011.pdf.

National Research Council (US) Committee on Metagenomics. (2007). Why metagenomics? In The new science of metagenomics: Revealing the secrets of our microbial planet. Washington, DC: National Academies Press. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK54011/.

Niederberger, T. (2015, July 31). Archaea. In Encyclopedia Britannica. Retrieved from http://www.britannica.com/science/archaea.

OpenStax College, Biology. (2016, May 18). Perspectives on the phylogenetic tree. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.12:J1tiQMqk@5/Perspectives-on-the-Phylogenet.

Pace, N. R. (2009). Mapping the tree of life: Progress and prospects. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 73(4), 565–576. http://dx.doi.org/10.1128/MMBR.00033-09.

Psychrophile. (2016, January, 31). Retrieved March 24, 2016 from from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Psychrophile.

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., and Heller, H. C. (2003). Bacteria and archaea: The prokaryotic domains. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 524-542). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Railsback, B. L. (n.d.) A paean to prokaryotes. In Bruce Railsback's geoscience resources. Retrieved from http://www.gly.uga.edu/railsback/11111misc/Prokaryotes.html.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кайн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Бактерии и археи. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 567-575). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Rosselló-Mora, R. and Amann, R. (2006). The species concept for prokaryotes. FEMS Microbio. Rev., 25(1), 39-67. Retrieved from http://femsre.oxfordjournals.org/content/femsre/25/1/39.full.pdf.

Sabres, Z.l., Rondon, M.R., and Handelsman, J. (2009). Metagenomics. In M. Schaechter (Ed.), Encyclopedia of microbiology (3rd ed, pp. 622-632). Academic Press. Retrieved from http://www.yale.edu/handelsmanlab/publications/pdf/Sabree%20Rondon%20Handelsman%20Metagenomics.pdf.

Sharpton, Thomas J. (2014). An introduction to the analysis of shotgun metagenomic data. Front. Plant Sci. http://dx.doi.org/10.3389/fpls.2014.00209.

Sulfolobus. (2010, August, 6). Retrieved March 24, 2016 from MicrobeWiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Sulfolobus.

Sulfolobus. (2016, March 1.) Retrieved March 25, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfolobus.

Ward, B. B. (2002). How many species of prokaryotes are there? Proc. Natl. Acad. Sci., 99(16), 10234-10236. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.162359199.

Yogurt. (2013, November 30). Retrieved March 24, 2016 from MicrobeWiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Yogurt.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.