If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Kurs: Biologia > Rozdział 23

Lekcja 2: Metabolizm i ekologia prokaryotów
Nauki przyrodnicze
Biologia
Bakterie i pierwotniaki
Metabolizm i ekologia prokaryotów
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie

Klasyfikacja i różnorodność prokariontów

Google Classroom
Różne grupy prokariotów. Ewolucyjne pokrewieństwo bakterii i archeowców. Ekstremofile. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

  • Dwie domeny prokariota, Bacteria i Archaea, oddzieliły się od siebie na wczesnym etapie ewolucji życia.
  • Bakterie są bardzo zróżnicowane, od chorobotwórczych patogenów po korzystne organizmy fotosyntetyzujące i symbionty.
  • Archeony również są zróżnicowane, ale żadne z nich nie jest patogenne, a wiele żyje w ekstremalnych środowiskach.
  • Metoda sekwencjonowania DNA zwana metagenomiką pozwala naukowcom zidentyfikować nowe gatunki bakterii i archeonów, w tym te, które nie dają się wyhodować.

Wprowadzenie

Prokariota, obejmujące zarówno bakterie, jak i archeony, można znaleźć prawie wszędzie - w każdym ekosystemie, na każdej powierzchni w naszych domach oraz wewnątrz naszych ciał! Niektóre żyją w środowiskach zbyt ekstremalnych dla innych organizmów, takich jak gorące kominy hydrotermalne na dnie oceanu.
Image credit: "Black smoker in Atlantic ocean," by P. Rona (public domain).
Choć znajdują się wokół nas, prokariota mogą być trudne do wykrycia, policzenia i sklasyfikowania. Prokariotyczne gatunki, o których wiemy dzisiaj, to niewielka frakcja wszystkich gatunków prokariotycznych, jakie istnieją. 1 W rzeczywistości sam pomysł "gatunku" staje się skomplikowany w świecie prokariota!
W tym artykule przyjrzymy się najpierw najważniejszym grupom prokariota. Następnie zbadamy, dlaczego często trudno jest je zidentyfikować i sklasyfikować. Wreszcie zobaczymy, w jaki sposób metody sekwencjonowania DNA pomagają nam lepiej poznać prokariota wokół nas.

"Drzewo genealogiczne" prokariota

Przez długi czas wszystkie prokariota były zaklasyfikowane do jednej domeny (największe ugrupowanie taksonomiczne).
Jednak badania mikrobiologa Carla Woese'a prowadzone w latach siedemdziesiątych dwudziestego wieku wykazały, że prokariota mają dwa odrębne rodowody lub filiacje: Archaea i Bacteria. Obecnie grupy te są uważane za dwie z trzech domen życia. Trzecia domena (Eukarya) obejmuje wszystkie eukariota, takie jak rośliny, zwierzęta i grzyby.2
To filogeneza (drzewo ewolucyjne) obrazuje relacje ewolucyjne między trzema domenami życia: Eukarya, Archaea i Bacteria. Wśród dwóch domen prokariotycznych (Archaea i Bacteria) każda zawiera kilka małych ugrupowań taksonomicznych. Wśród Archaea wyróżniamy euryarcheota, krenarcheota, nanoarcheota i korarcheota. Wśród Bacteria wyróżniamy proteobakterie, chlamydie, krętki, cyjanobakterie i bakterie gram-dodatnie.
Image credit: "Structure of prokaryotes: Figure 3," by OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).
Oddzielając się od siebie milionów lat temu, zarówno Bacteria jak i Archaea podzieliły się na wiele grup i gatunków.

Bacteria

Domena Bacteria zawiera 5 głównych grup: proteobakterie, chlamydie, krętki, cyjanobakterie i bakterie gram-dodatnie.
Proteobakterie dzielą się z kolei na pięć grup, od alfa do epsilon. Gatunki w tych grupach mają szeroki wachlarz stylów życia. Niektóre żyją w symbiozie z roślinami, inne żyją w gorących kominach hydrotermalnych głęboko pod wodą, a inne jeszcze powodują ludzkie choroby, takie jak wrzody żołądka (Helicobacter pylori) i zatrucia pokarmowe (Salmonella).
Characteristics of the five phyla of bacteria are described. The first phylum described is proteobacteria, which includes five classes, alpha, beta, gamma, delta and epsilon. Most species of Alpha Proteobacteria are photoautotrophic but some are symbionts of plants and animals, and others are pathogens. Eukaryotic mitochondria are thought be derived from bacteria in this group. Representative species include Rhizobium, a nitrogen-fixing endosymbiont associated with the roots of legumes, and Rickettsia, obligate intracellular parasite that causes typhus and Rocky Mountain Spotted Fever (but not rickets, which is caused by Vitamin D deficiency). A micrograph shows rod-shaped Rickettsia rickettsii inside a much larger eukaryotic cell.
Beta Proteobacteria is a diverse group of bacteria. Some species play an important role in the nitrogen cycle. Representative species include Nitrosomonas, which oxidize ammonia into nitrate, and Spirillum minus, which causes rat bite fever. A micrograph of spiral-shaped Spirillum minus is shown.
Gamma Proteobacteria include many are beneficial symbionts that populate the human gut, as well as familiar human pathogens. Some species from this subgroup oxidize sulfur compounds. Representative species include Escherichia coli, normally beneficial microbe of the human gut, but some strains cause disease; Salmonella, certain strains of which cause food poisoning, and typhoid fever; Yersinia pestis–the causative agent of Bubonic plague; Psuedomonas aeruganosa– causes lung infections; Vibrio cholera, the causative agent of cholera, and Chromatium–sulfur producing bacteria bacteria that oxidize sulfur, producing H2S. Micrograph shows rod-shaped Vibrio cholera, which are about 1 micron long.
Some species of delta Proteobacteria generate a spore-forming fruiting body in adverse conditions. Others reduce sulfate and sulfur. Representative species include Myxobacteria, which generate spore-forming fruiting bodies in adverse conditions and Desulfovibrio vulgaris, an anaerobic, sulfur-reducing bacterium. Micrograph shows a bent rod-shaped Desulfovibrio vulgaris bacterium with a long flagellum.
Epsilon Proteobacteria includes many species that inhabit the digestive tract of animals as symbionts or pathogens. Bacteria from this group have been found in deep-sea hydrothermal vents and cold seep habitats.
The next phylum described is chlamydias. All members of this group are obligate intracellular parasites of animal cells. Cells walls lack peptidoglycan. Micrograph shows a pap smear of cells infected with Chlamydia trachomatis. Chlamydia infection is the most common sexually transmitted disease and can lead to blindness.
All members of the phylum Spirochetes have spiral-shaped cells. Most are free-living anaerobes, but some are pathogenic. Flagella run lengthwise in the periplasmic space between the inner and outer membrane. Representative species include Treponema pallidum, the causative agent of syphilis and Borrelia burgdorferi, the causative agent of Lyme disease Micrograph shows corkscrew-shaped Trepanema pallidum, about 1 micron across.
Bacteria in the phylum Cyanobacteria, also known as blue-green algae, obtain their energy through photosynthesis. They are ubiquitous, found in terrestrial, marine, and freshwater environments. Eukaryotic chloroplasts are thought be derived from bacteria in this group. The cyanobacterium Prochlorococcus is believed to be the most abundant photosynthetic organism on earth, responsible for generating half the world’s oxygen. Micrograph shows a long, thin rod-shaped species called Phormidium.
Gram-positive Bacteria have a thick cell wall and lack an outer membrane. Soil-dwelling members of this subgroup decompose organic matter. Some species cause disease. Representative species include Bacillus anthracis, which causes anthrax; Clostridium botulinum, which causes botulism; Clostridium difficile, which causes diarrhea during antibiotic therapy; Streptomyces, from which many antibiotics, including streptomyocin, are derived; and Mycoplasmas, the smallest known bacteria, which lack a cell wall. Some are free-living, and some are pathogenic. Micrograph shows Clostridium difficile, which are rod-shaped and about 3 microns long.
Image credit: "Structure of prokaryotes: Figure 4," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Original work credits: “Rickettsia rickettsia”: modification of work by CDC; credit “Spirillum minus”: modification of work by Wolframm Adlassnig; credit “Vibrio cholera”: modification of work by Janice Haney Carr, CDC; credit “Desulfovibrio vulgaris”: modification of work by Graham Bradley; credit “Campylobacter”: modification of work by De Wood, Pooley, USDA, ARS, EMU; scale-bar data from Matt Russell.
Pozostałe cztery główne grupy bakterii są podobnie zróżnicowane. Chlamydie są patogenami, które żyją wewnątrz komórek gospodarza, a cyjanobakterie są organizmami fotosyntetyzującymi, które wytwarzają sporą część tlenu ziemskiego. Krętki obejmują zarówno nieszkodliwe bakterie, jak i szkodliwe, takie jak Borrelia burgdorferi, która powoduje chorobę z Lyme. To samo dotyczy bakterii gram-dodatnich, wśród których znaleźć możemy probiotyczne bakterie jogurtowe ale także bakterie Bacillus anthracis które powodują wąglik.4
Chlamydia (chlamydie), Spirochetes (krętki), Cyanobacteria (cjanobakterie), i bakterie Gram-dodatnie opisano w poniższej tabeli.
Chlamydie: wszyscy członkowie tej grupy są obligatoryjnymi wewnątrzkomórkowymi pasożytami komórek zwierzęcych. Ściany komórkowe nie zawierają peptydoglikanu. Organizm reprezentatywny: Chlamydia trachomatis, wywołuje częstą chorobę przenoszoną drogą płciową, która może prowadzić do ślepoty. Reprezentatywna mikrofotografia: wymaz z szyjki macicy, Chlamydia trachomatis widoczne są jako różowe inkluzje wewnątrz komórek.
Krętki: Większość członków tego gatunku, posiada komórki o kształcie spiralnym, są beztlenowcami wolno żyjącymi, niektóre są patogenne. Wić biegnie wzdłuż przestrzeni peryplazmatycznej między błoną wewnętrzną i zewnętrzną. Organizmy reprezentatywne: Treponema pallidum, wywołuje kiłę i Borrelia burgdorferi, powodująca chorobę z Lyme. Reprezentatywna mikrofotografia: Treponema pallidum, bakteria w kształcie korkociągu.
Cyjanobakterie: znane również jako niebieskozielone glony, uzyskują energię poprzez fotosyntezę. Są one powszechne, obecne są w środowiskach lądowych, morskich i słodkowodnych. Uważa się, że chloroplasty eukariotyczne pochodzą od bakterii z tej grupy. Organizm reprezentatywny: Prochlorococcus, uważany za najbardziej rozpowszechniony organizm fotosyntetyzujący na Ziemi; Odpowiedzialny za generowanie połowy tlenu na świecie. Reprezentatywna mikrofotografia: Phormidium, długa, cienka, bakteria o kształcie pręta.
Bakterie Gram-dodatnie: członkowie tej podgrupy rozkładają materię organiczną. Niektóre gatunki wywołują choroby. Mają grubą ścianę komórkową i brak zewnętrznej błony. Organizmy reprezentatywne: Bacillus anthracis, wywołuje wąglik; Clostridium botulinum, powoduje botulizm (zatrucie jadem kiełbasianym); Clostridium difficile, powoduje biegunkę podczas leczenia antybiotykami; Streptomyces, wiele antybiotyków, pochodzi z tych bakterii, w tym streptomycyna; i Mycoplasma, najmniejsze poznane bakterie, pozbawione ściany komórkowej. Niektóre są wolne żyjące, a niektóre patogenne. Reprezentatywna mikrofotografia: Clostridium dificile, bakteria w kształcie pręta.
Image credit: "Structure of prokaryotes: Figure 5," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Original image credits: “Chlamydia trachomatis”: modification of work by Dr. Lance Liotta Laboratory, NCI; credit “Treponema pallidum”: modification of work by Dr. David Cox, CDC; credit “Phormidium”: modification of work by USGS; credit “Clostridium difficile”: modification of work by Lois S. Wiggs, CDC; scale-bar data from Matt Russell.

Archaea

Domena Archaea zawiera 4 główne grupy. Co ciekawe, do tej pory nie odkryto archeonów, które byłyby ludzkimi patogenami.
Archaea żyją w naszych organizmach oraz organizmach zwierząt—na przykład w jelitach—ale wszystkie one wydają się być nieszkodliwe lub korzystne. Choć istnieją hipotezy, nikt jeszcze nie odkrył, dlaczego wszystkie archeony są "przyjazne", tzn. dlaczego nie wyewoluowały wśród nich gatunki chorobotwórcze.5
Obok archeonów, które korzystają z przyjaznego środowiska ludzkiego jelita, istnieje wiele gatunków ekstremofili, które żyją w znacznie bardziej nieprzyjaznych miejscach. Należą do nich wulkaniczne gorące źródła, kominy hydrotermalne oraz bardzo zasolone miejsca, takie jak Morze Martwe.
Przedstawiono charakterystykę pięciu typów bakterii. Euryarcheota obejmują metanogeny, które wytwarzają metan jako uboczny produkt metabolizmu i halobakterie, które żyją w skrajnie zasolonym środowisku. Metanogeny powodują wzdęcia u ludzi i innych zwierząt. Halobakterie mogą tworzyć duże zakwity, które wydają się czerwone, ze względu na obecność bakteriorodopsyny w błonie. Bakteriorodopsyna jest powiązana z barwnikiem siatkówki rodopsyną. Mikrofotografia pokazuje Halobakterium o kształcie pręta. Członkowie wszechobecnego typu Crenarcheota odgrywają ważną rolę w asymilacji węgla. Wielu członków tej grupy jest zależnymi od siarki ekstremofilami. Niektóre z nich są termofilne lub hipertermofilne. Mikrofotografia pokazuje Sulfolobus o kształcie ziarenek, rodzaj, który wzrasta w źródłach wulkanicznych w temperaturze pomiędzy 75°C i 80°C oraz przy pH między 2 a 3. Obecnie typ Nanoarchaeota zawiera tylko jeden gatunek Nanoarchaeum equitans, który został wyizolowany z dna Oceanu Atlantyckiego oraz komina hydrotermalnego w Parku Narodowym Yellowstone. Jest obligatoryjnym symbiontem wraz z Ignococcus, kolejnym rodzajem archeabakterii. Mikrofotografia pokazuje dwie małe, okrągłe komórki N. equitans przytwierdzone do większej komórki Ignococcus. Korarcheota są uważane za jedne z najbardziej prymitywnych form życia i jak na razie zostały znalezione jedynie w Obsidian Pool, gorącym źródle w Parku Narodowym Yellowstone. Mikrofotografia pokazuje zróżnicowanie kształtów gatunków z tej grupy.
Image credit: "Structure of prokaryotes: Figure 6," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Original image credits: “Halobacterium”: modification of work by NASA; credit “Nanoarchaeotum equitans”: modification of work by Karl O. Stetter; credit “korarchaeota”: modification of work by Office of Science of the U.S. Dept. of Energy; scale-bar data from Matt Russell.

Wiele "tajemniczych prokariota"

Przez wiele lat głównym podejściem do badania prokariota było ich hodowanie w laboratorium. Jeśli organizm może wzrastać na płytce agarowej lub w ciekłej kulturze, można go badać, analizować a następnie dodawać jako kolejny do powiększającego się katalogu prokariotycznych gatunków i szczepów.
Jednak niektóre prokarioty nie rosną w warunkach laboratoryjnych (przynajmniej nie w tych wypróbowanych przez naukowców). Prawdę mówiąc, szacuje się, że 99% bakterii i archeonów nie daje się wyhodować!
Pokazano dwie płytki bakteryjne z czerwonym agarem. Obie płytki pokryte są koloniami bakteryjnymi. Na prawej płytce, która zawiera bakterie hemolityczne, czerwony agar w miejscach, gdzie wzrastają bakterie stał się jasny. Na lewej płytce, która zawiera bakterie niehemolityczne, agar nie zmienił barwy.
In these agar plates, the growth medium is supplemented with red blood cells. Blood agar becomes transparent in the presence of hemolytic Streptococcus bacteria, as shown on the plate at right. Image credit: Prokaryotic diversity: Figure 6, by OpenStax College, Biology, (CC BY 4.0). Original image by Bill Branson, NCI.
To powoduje bardzo dużą lukę w naszym zrozumieniu tego, czym są prokariota. Dla kontekstu, jest 8,7 million poznanych gatunków eukariotycznych6. Jeśli problem związany z hodowlą dotyczyłby w takim samym stopniu eukariota co prokariota, znalibyśmy jedynie 87000 spośród wszystkich gatunków eukariotycznych. Przyczyniłoby się to do powstawania wielu luk w naszym "drzewie życia" i bardzo niekompletnego rozumienia tego, czym są eukariota (jako grupa). Na przykład, wiedzielibyśmy, że istniały zwierzęta, ale nie mielibyśmy wiedzy na temat istnienia roślin lub grzybów!

Co to jest gatunek prokariotyczny?

Aby móc rozmawiać o odkrywaniu gatunków prokariotycznych powinniśmy zdefiniować, czym jest gatunek prokariotyczny. Może to wydawać się podstawowym pytaniem, ale jest to kwestia skomplikowana, a nawet kontrowersyjna, jeśli znasz się trochę na mikrobiologii.
W przypadku eukariota większość naukowców definiuje gatunek jako grupę organizmów, które mogą się rozmnażać i mają płodne potomstwo. Ta definicja ma sens dla gatunków, które rozmnażają się seksualnie, ale nie koniecznie dla organizmów takich jak bakterie. Bakterie odtwarzają się w sposób bezpłciowy, tworząc klony samych siebie - nie rozmnażają się.
Naukowcy zamiast tego klasyfikują bakterie i archeony do grup taksonomicznych, opartych na podobieństwach w wyglądzie, fizjologii i genach.7 Wielu organizmom nadaje się nazwy wykorzystując tradycyjną taksonomię Linneuszowską, uwzględniając rodzaj i gatunek. Nadal kwestia tego, jak i czy prokariota powinny być zgrupowane w gatunki, pozostaje tematem debaty wśród naukowców. Właściwa "koncepcja gatunku" dla tych organizmów jest nadal w toku.8

Metagenomika: Nowe spojrzenie na mikroby

Naukowcy szacują, że mogą istnieć miliony gatunków prokariotycznych (lub podobnych do gatunków grup organizmów), ale niewiele wiemy o większości z nich.1 Zaczyna się to zmieniać dzięki wielkoskalowemu sekwencjonowaniu DNA.
Sekwencjonowanie DNA umożliwia naukowcom studiowanie całych społeczności prokariotów w ich naturalnym środowisku - w tym lwią część prokariotów niedających się hodować, które dawniej byłyby "niewidzialne" dla badaczy.
Wspólny genom takiej społeczności organizmów nazywany jest metagenomem, a analiza sekwencji metagenomowych jest znana jako metagenomika. Metagenomika prokariotyczna jest jedną z dziedzin biologii, którą uważam za najciekawszą i najbardziej tajemniczą.
Na przykład próbkę DNA można pobrać z mat mikrobiologicznych z gorących źródeł, takich jak piękne, wielobarwne maty znalezione w Parku Narodowym Yellowstone. Nawet niewielka próbka z tej bogatej wspólnoty organizmów zawiera wiele, wiele osobników różnych gatunków.9
Image credit: "Bacteria mat," by sevenblock CC BY-NC-SA 2.0.
Poprzez sekwencjonowanie i analizowanie próbek DNA metagenomu, naukowcy mogą czasami zgrupować całe genomy nieznanych wcześniej gatunków. W innych przypadkach wykorzystują informacje sekwencyjne z konkretnych genów, aby dowiedzieć się, jakie typy prokariota są obecne (i jak są powiązane ze sobą lub z poznanymi wcześniej gatunkami). Geny znalezione w próbkach DNA mogą dostarczyć także wskazówek dotyczących strategii metabolicznych of the organisms in the community.10

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się
Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.