Fakte interesante rreth arkeave: diversiteti, funksionet dhe zbatimet e habitshme

Planeti Tokë është deri më tani i vetmi vend në univers ku mund të arrihet fluoreshenca e jetës për shkak të variablave klimatike që konvergojnë në habitatin tonë; në thelb, uji i lëngshëm, temperaturat e përshtatshme dhe reaksionet kimike të përshtatshme kanë lejuar formimin dhe evolucionin e organizmave që mbijetojnë duke sintetizuar energjinë nga molekulat e karbonit dhe oksigjenit.

Qeniet njerëzore janë pjesë e këtij ekuipazhi që bashkëvepron në botë, si dhe speciet e ndryshme që ne mund të vëzhgojmë zakonisht, megjithatë ka shumë organizma që janë larg syve dhe që në të njëjtën mënyrë kanë një rol themelor në ekuilibrin e jetës ; këto qenie të gjalla Ato quhen mikroorganizmaPër shkak të madhësisë së tij të vogël dhe përbërjes organike bazë, ky organizim elementar i sistemit të trupit të tij ka lejuar riprodhimin dhe përhapjen e tij të suksesshme.

Arkeat dhe vendi i tyre në pemën e jetës

Mikrobiologjia është shkenca që është përgjegjëse për studimin e këtyre mikroorganizmave dhe klasifikimin e tyre sipas aspekteve të caktuara që i dallojnë, duke krijuar kështu një Dallimi midis organizmave shumëqelizorë dhe njëqelizorëDuke folur për organizmat shumëqelizorë, zbulojmë se ato janë forma jete që, megjithëse mikroskopike, përbëhen nga disa qeliza që strukturojnë sistemet e tyre themelore të ndërveprimit në një mënyrë të caktuar.

Ndërsa organizmat njëqelizorë mbështeten në një qelizë të vetme për të kryer të gjitha proceset e tyre, këto përfshijnë organizmat që i përkasin domenit ose mbretërisë Archaea, të cilat dikur ngatërroheshin me bakteret për shkak të ngjashmërive të tyre strukturore. Këta mikroorganizma janë prokariotë njëqelizorë Ato nuk kanë një bërthamë të përcaktuar ose organele të lidhura me membranën e brendshme, por biokimia dhe gjenetika e tyre i dallon nga bakteret.

Kur u identifikuan si një grup i veçantë, ato u quajtën arkebaktere dhe u përfshinë në mbretërinë e mëparshme Monera. Megjithatë, analizat e ARN-së ribozomale dhe të gjenomit të tërë treguan se arkeat kanë një histori e pavarur evolucionare dhe karakteristika unike molekulare, prandaj ato tani njihen si një nga tre domenet kryesore të jetës: Arkeat, Bakteret dhe Eukaret.

Edhe pse mund të keni dëgjuar për këto qenie të gjalla të çuditshme, në këtë artikull do t'ju tregojmë... Gjëra që ndoshta nuk i dinit për mbretërinë Arkea dhe kjo me siguri do t'ju habisë, duke integruar atë që dihet rreth biologjisë së tyre, diversitetit të tyre, rolit të tyre ekologjik dhe ndikimit të tyre në teknologji.

Klasifikimi dhe taksonomia moderne e gjerë e arkeave

Mbretëria ose domeni i Arkeas zotëron një klasifikim i brendshëm i gjerë dhe ende në ndryshimNdryshe nga grupet e tjera të organizmave të gjallë, shumica e specieve të arkeave njihen vetëm nëpërmjet analizës së acideve të tyre nukleike në mostrat mjedisore, pasi kultivimi i tyre në laborator është shpesh kompleks. Kjo do të thotë që sistematika e arkeave rishikohet vazhdimisht.

Disa linja kryesore njihen aktualisht brenda Arkeas. Shumë autorë diskutojnë katër mbretëri të mëdha ose supergrupe kryesore të bazuara në filogjeninë molekulare:

• Metanobakteriota (më parë Euryarchaeota): grupon numrin më të madh të arkeave të njohura, duke përfshirë shumicën e arkeat metanogjene që prodhojnë metan, shumë halofile ekstreme dhe disa grupe termoacidofile.
• Termoproteot (i njohur edhe si grupi TACK): përfshin klasa të tilla si Nitrososphaeria, Korarchaeia dhe Thermoproteia, me shumë termofilet dhe hipertermofilet, acidofilet dhe organizmat e përfshirë në oksidimin e amonit.
• Promethearchaeota ose AsgardNjë supergrup interesant që përmban arkea shumë të lidhura ngushtë me eukariotët, me gjene dhe proteina që të kujtojnë qelizat me bërthamë, dhe që mund të përfaqësojnë prejardhja stërgjyshore e jetës komplekse.
• Nanobdellati (shpesh i identifikuar si grup DPANN): i formuar nga arkeat ultra i vogël, shumë prej tyre acidofile ose hipertermofile, me gjenome shumë të reduktuara siç është Nanoarchaeum equitans.

Brenda këtyre supergrupeve, propozohen shumë lloje kandidatësh, të tilla si Bathyarchaeia, Hydrothermarchaeota dhe Lokiarchaeia, secila prej të cilave grupon linja me tipare shumë specifike ekologjike dhe fiziologjike. Numri i përgjithshëm i llojeve të propozuara arkeale tejkalon dhjetë, dhe vetëm një pjesë e tyre është kultivuar dhe studiuar në detaje, prandaj Diversiteti i vërtetë i arkeave mbetet kryesisht i panjohur..

Arkeat, së bashku me bakteret, njihen si grupi më i shumtë i organizmave të gjallë në planet, që përfshin një popullsi prej triliona individësh që riprodhohen pa ndërprerje çdo ditë. Struktura e tyre njëqelizore, e cila rregullon ciklin e tyre jetësor, do të thotë se riprodhimi i tij është një proces mjaft efektiv dhe të cilat do t'i shpjegojmë në detaje më vonë.

Karakteristikat unike qelizore që i dallojnë ato nga bakteret

Arkeat dhe bakteret janë mjaft të ngjashme në madhësi dhe formë, megjithëse arkeat mund të shfaqin morfologji shumë të pazakontanga sferat dhe shufrat klasike te format e rrafshuara dhe katrore si Haloquadratum walsbyi, filamente prej më shumë se 200 mikronësh ose koloni të lidhura nga tuba të zbrazëta (kanula) si në gjininë Pyrodictium.

Pavarësisht kësaj ngjashmërie vizuale me bakteret, arkeat posedojnë gjene dhe disa rrugë metabolike. më afër atyre të eukariotëveveçanërisht në enzimat e përfshira në transkriptim dhe përkthim. Për më tepër, ato shfaqin karakteristika unike biokimike:

• Membrana plazmatike me lipide të lidhura me glicerolin nga lidhjet eterike dhe bishta të formuara nga zinxhirë izoprenoide të degëzuar. Kjo u jep atyre një rezistencë shumë më të lartë ndaj temperaturave të larta, pH ekstrem dhe tretësve organikë.
• Muri qelizor pa peptidoglikan tipik bakterial. Shumë arkea posedojnë pseudopeptidoglikan, glikoproteina specifike ose polisakaride që veprojnë si një shtresë mbrojtëse S.
• Ribozomet të tipit 70S si ato të baktereve, por me proteina ribozomale dhe faktorë transkriptimi shumë të ngjashëm me ato të eukariotëve, gjë që përforcon marrëdhënien evolucionare midis Arkeave dhe Eukaryave.
• Flagjela arkeane strukturisht të ndryshme nga ato bakteriale, më të ngjashme me pilulat e tipit IV, të mbledhura nga baza dhe jo nga maja.

Një zbulim shumë i kohëve të fundit ka treguar madje se disa arkea janë të afta të formojnë një strukturë të ngjashme me një nukleolusKjo ishte diçka që deri vonë konsiderohej ekskluzivisht për qelizat eukariote. Kjo hap pyetje të reja rreth mënyrës se si ishte organizuar shprehja e gjeneve tek paraardhësit e jetës komplekse.

Ata banojnë në të gjitha mjediset: nga ekstremofilet te mezofilet

Kur arkeat mendohej se ishin pjesë e baktereve, mendohej gjithashtu se këta organizma mund të jetonin vetëm në habitate ekstreme dhe shumë specifike; megjithatë, tani dihet se speciet që i përkasin mbretërisë Arkea mund të jenë të pranishme në një gamë shumë të larmishme mjedisesh pa asnjë problem.

Lidhur me temperaturat që këto qenie të gjalla mund të përballojnë, ato ndonjëherë ndryshojnë midis mbi 100°C dhe nën -30°CËshtë gjithashtu e jashtëzakonshme që ato mund të mbijetojnë dhe të bashkëveprojnë normalisht në mjedise të kripura ku asnjë mikroorganizëm tjetër nuk mund të lulëzojë. Është vlerësuar se ato mund të jenë të pranishme në më shumë se 30% të planetit për sa i përket shpërndarjes mjedisore, duke reflektuar përshtatshmërinë dhe bollëkun e tyre.

Arkeat ekstremofile shpesh grupohen në katër lloje kryesore sipas habitatit të tyre:

• HalofiletAta jetojnë në mjedise me përqendrime të larta kripe, siç janë liqenet e kripura ose fushat e kripura, ku ata i tejkalojnë në numër bakteret mbi nivele të caktuara të kripësisë.
• Termofilet dhe hipertermofiletAto lulëzojnë në temperatura mbi 45°C dhe madje edhe mbi 80°C, në burime të nxehta, shfryrje hidrotermale dhe puse nafte.
• Acidofilet dhe alkafiletAto mund të rriten në nivele pH jashtëzakonisht të ulëta, afër 0-së, ose në nivele shumë të larta, duke përfituar nga kimia e veçantë e mjedisit të tyre.
• PsikrofilëtAta jetojnë në mjedise shumë të ftohta siç janë detet polare, akulli detar ose sedimentet e thella, duke sintetizuar enzima aktive në temperatura të ulëta.

Megjithatë, shumë arkea janë mezofile dhe banojnë në kushte të moderuara: toka, oqeane të buta, këneta, sedimente dhe zorrët e njerëzve dhe kafshëve të tjeraNë planktonin detar, disa arkea të grupit Nitrososphaeria mund të përbëjnë deri në 40% të biomasës mikrobike, duke marrë pjesë aktive në ciklin e azotit.

Faleminderit për këtë qëndrueshmëri e pabesueshme Kjo është ajo që i lejoi kësaj mbretërie të lulëzojë që nga fillimi i atmosferës së Tokës, rreth 2.500 miliardë vjet më parë, dhe ajo që ka ndikuar shumë në proceset evolucionare të planetit dhe specieve të tij. E njëjta qëndrueshmëri ka nxitur spekulime rreth ekzistencës së mundshme të mikroorganizmave të ngjashëm në planetë ose hëna të tjera me kushte ekstreme.

Metabolizëm i gjithanshëm: ato përpunojnë më shumë burime sesa mikrobet e tjera

Ndryshe nga shumë mikroorganizma të tjerë, ata që i përkasin mbretërisë Archaea mund të përpunojnë një diversitet më i madh i lëndëve ushqyese dhe lëndëve të para të cilat gjenden në mjedise të larmishme. Ndër to mund të përmendim: komponimet e azotit, karbonit dhe squfurit; ato madje kanë procese të tilla si glikoliza (në variacionet e tyre) për të marrë energji që garanton ciklet e tyre jetësore.

Bazuar në llojin e të ushqyerit të tyre, arkeat mund të jenë:

• LitotrofëtAto marrin energji nga komponimet inorganike si amoniaku, hidrogjeni, squfuri ose hekuri, duke luajtur një rol kyç në ciklet biogjeokimike.
• OrganotrofëtAto përdorin komponime organike (sheqerna, acide organike, alkoole) si burim karboni dhe energjie.
• Fototrofët Klasike jo-fotosintetike: disa haloarke përdorin pigmente të tilla si bakteriorhodopsina për të shfrytëzuar rrezet e diellit dhe për të gjeneruar ATP pa lëshuar oksigjen.

Disa specie mund të përdorin rrezet e diellit si burim energjie pa gjeneruar oksigjen si në proceset fotosintetike, një cilësi unike. brenda qenieve të gjalla të këtij planetiKjo nuk përfshin ato që janë metanogjene, domethënë ato që gjenerojnë gaz metan në rrethana shumë specifike, duke përfshirë zorrën e njeriut, prandaj besohet se luajnë një rol themelor në procesin e tretjes dhe në prodhimin e gazrave.

L arkeat metanogjene Ato përdorin dioksid karboni, hidrogjen, acetat ose komponime të tjera të thjeshta si pranues elektronesh në kushte anaerobe, duke prodhuar metan si nënprodukt. Ky proces është thelbësor në këneta, sedimente, tretës të ujërave të zeza dhe në zgavrat e ripërtypësve, por gjithashtu i bën këto arkea lojtarë të rëndësishëm brenda... gazra serë.

Arkea të tjera e fiksojnë karbonin nëpërmjet rrugëve alternative ndaj ciklit të Kalvinit, siç është cikli 3-hidroksipropionat/4-hidroksibutirat ose rruga reduktuese e acetil-CoA. Në ciklin e azotit, shumë arkea në toka dhe oqeane oksidojnë amoniakun, duke çliruar nitrite që bakteret e tjera i shndërrojnë më pas në nitrate të përdorshme nga bimët.

Riprodhimi aseksual dhe transferimi gjenetik

Speciet që i përkasin mbretërisë Archaea riprodhohen ekskluzivisht në mënyrë aseksuale, përmes proceseve të tilla si ndarja binare, ndarja e shumëfishtë, sythëzimi ose fragmentimi. Mekanizmi më i zakonshëm është ndarje binareqë konsiston në dyfishimin e një qelize të vetme duke klonuar materialin e saj gjenetik dhe duke krijuar një citoplazmë individuale për të strehuar materialin e ri gjenetik; baza e kësaj forme riprodhimi është replikimi i ADN-së, duke i lejuar organizmit të marrë një kopje praktikisht identike të vetes.

Është e rëndësishme të merret në konsideratë që kjo formë riprodhimi është e pranishme edhe te bakteret dhe organizmat e tjerë njëqelizorë që formojnë dhe kanë formuar bazën e zinxhirit të bashkëveprimit midis qenieve të gjalla në këtë planet. Në arkeat e gjinisë Sulfolobus, është vërejtur se replikimi i kromozomeve fillon në origjina të shumëfishta dhe përdor polimeraza të ADN-së të ngjashme me ato të eukariotëve, ndërsa proteinat që drejtojnë ndarjen qelizore ngjajnë më shumë me ato bakteriale.

Edhe pse nuk janë përshkruar endospore Ashtu si disa baktere, disa haloarkea mund të formojnë qeliza me mure të trasha që janë më rezistente ndaj ndryshimeve osmotike ose të kripësisë, duke u lejuar atyre të mbijetojnë në kushte të pafavorshme dhe të kolonizojnë habitate të reja.

Përveç riprodhimit klonal, arkeat mund të shkëmbejnë material gjenetik përmes plazmide dhe viruse specifikeJanë zbuluar viruse me morfologji shumë të larmishme, duke përfshirë forma shishesh, shufra të grepa dhe struktura loti ndryshe nga çdo virus tjetër i njohur, veçanërisht në arkeat termofile siç janë ato të rendit Sulfolobales. Shumë arkea posedojnë sisteme mbrojtëse të bazuara në sekuenca të përsëritura dhe ARN (të ngjashme me sistemin CRISPR-Cas), të cilat u lejojnë atyre të njohin dhe neutralizojnë ADN-në pushtuese.

Marrëdhënia me njerëzit: mikrobiota dhe mungesa e patogjenëve të qartë

Fillimisht, arkeat mendoheshin të parëndësishme për shëndetin e njeriut, sepse njiheshin kryesisht nga mjedise ekstreme. Megjithatë, sot e dimë se ato janë një pjesë e qëndrueshme e mikrobiota njerëzore në fusha të ndryshme:

• ZorrëtSpeciet si Methanobrevibacter smithii janë shumë të bollshme në zorrën e trashë dhe mund të përfaqësojnë një pjesë të rëndësishme të prokariotëve të zorrëve, duke marrë pjesë në tretjen e polisakarideve dhe në prodhimin e metanit.
• BocaMethanobrevibacter oralis është zbuluar në pllakën dentare dhe xhepat periodontalë, ku mund të nxisë mjedise anaerobe duke konsumuar hidrogjen.
• Lëkura, trakti respirator dhe sistemi urinarStudimet metagjenomike kanë identifikuar sekuenca arkeale në këto vende, megjithëse në sasi më të vogla dhe ende me funksione të paqarta.

Nuk ka shembuj të qartë të njohur të arkeave patogjene obligative për njerëzit ose kafshët e tjera, por disa janë propozuar. shoqata indirekte midis bollëkut të metanogjenëve dhe çrregullimeve të tilla si kapsllëku kronik, sindroma e zorrës së irritueshme me mbizotërim të kapsllëkut, sëmundja periodontale e avancuar ose raste të caktuara të disbiozës së zorrëve.

Në shumicën e rasteve, arkeat duket se janë mutualistë ose komensalëNë zorrët e njerëzve dhe të ripërtypësve, ata konsumojnë hidrogjen të prodhuar nga mikrobe të tjera fermentuese, duke u lejuar atyre të marrin më shumë energji nga zbërthimi i celulozës ose karbohidrateve të tjera komplekse. Tek disa termite, arkeat madje jetojnë brenda organeleve të specializuara (hidrogjenozomeve) të protozoarëve simbiotikë, duke përfunduar një qark kompleks shkëmbimi metabolitësh.

Ato përdoren në shumë industri dhe në bioteknologjinë e përparuar.

Për prodhimin e disa produkteve industriale për konsum njerëzor, veçanërisht produkteve të qumështit dhe derivateve të tyre, përdorimi i baktereve dhe mikroorganizmave si katalizatorë dhe aktivizues të reaksioneve kimike është i njohur mirë. Këto reaksione u japin këtyre produkteve, siç janë djathërat, hirra dhe kosi, konsistencën, shijen, qëndrueshmërinë dhe strukturën e tyre karakteristike; megjithatë, ka zinxhirë prodhimi që kërkojnë temperaturat e larta Për realizimin e karakteristikave të caktuara, shumica e baktereve nuk mund t'i rezistojnë këtyre kushteve shumë të nxehta, duke i lënë vendin arkeave që mund t'i rezistojnë më shumë se 100 ºC dhe të zhvillojnë ndryshimet e nevojshme në këto ushqime për të arritur cilësi efektive.

Enzimat e arkeave termofile dhe hipertermofile (ndonjëherë të quajtura ekstremozimetAto janë jashtëzakonisht të qëndrueshme ndaj nxehtësisë dhe zakonisht i rezistojnë agjentëve denatyrues, detergjentëve, tretësve organikë dhe niveleve ekstreme të pH-it. Kjo i bën ato të paçmueshme për industri të ndryshme:

• Industria ushqimoreAmilazat, galaktozidazat dhe pullulazat nga specie të tilla si Pyrococcus furiosus funksionojnë në temperatura të larta, duke lejuar përpunimin e qumështit me përmbajtje të ulët laktoze, hirrës dhe produkteve të tjera pa humbur aktivitetin enzimatik.
• Biologji MolekularePolimerazat e ADN-së termostabile të marra nga arkeat kanë revolucionarizuar reaksionin zinxhir të polimerazës (PCR), duke i bërë ballë cikleve të përsëritura të denatyrimit, pjekjes dhe zgjatjes pa u degraduar.
• Industritë e detergjentëve, tekstilit, letrës dhe lëkurësEnzimat dhe surfaktantët rezistentë ndaj temperaturave të larta përdoren për të përmirësuar efikasitetin e larjes, trajtimin e fibrave dhe përpunimin e letrës dhe lëkurës.
• Prodhimi i biogazit dhe trajtimi i ujitArkeat metanogjene janë thelbësore në tretësit anaerobe, ku ato i shndërrojnë mbetjet organike në metan që mund të përdoret si burim energjie i rinovueshëm.
• minierashNë miniera, përdoren shumë arkea që bashkëpunojnë në mënyrë efektive në reaksionet kimike të nevojshme për të përftuar minerale të tilla si ari, kobalti dhe bakri, duke lehtësuar proceset e bio-shpërlarjes që janë më miqësore me mjedisin.

Në mjekësi, janë bërë përparime të konsiderueshme përmes mbretërisë Arkea, pasi disa antibiotikë janë prodhuar bazuar në këta organizma, duke ndihmuar shumë njerëz që janë... alergjik ndaj antibiotikëve tradicionalëPër më tepër, janë identifikuar komponime me origjinë arkeale me struktura shumë të ndryshme nga ato të antibiotikëve bakterialë, duke hapur derën për mekanizma të rinj veprimi kundër patogjenëve rezistentë.

Më pak se një përqind e mikroorganizmave ekzistues janë studiuar në detaje, kështu që vlerësohet se miliona arkea mbeten për t'u zbuluar, veçanërisht në mjedise ekstreme: dyshemeja e oqeanit, zonat me presion të lartë, gradientët ekstremë kimikë ose kamare që janë marrë pak mostra. Çdo linjë e identifikuar rishtazi përfaqëson një burim potencial të enzima të reja, antibiotikë të ndryshëm dhe rrugë unike metabolike me potencial bioteknologjik.

Biodiversiteti i madh midis mikroorganizmave ekstremofile dhe aftësia e tyre për të sintetizuar proteina aktive në kushte ekstreme ka hapur një fushë premtuese në bioteknologji, pasi shumë procese industriale ndodhin në kushte ekstreme të temperaturës, presionit, forcës jonike, pH-it dhe pranisë së tretësve organikë. Për më tepër, këto enzima mund të përdoren si modele për hartimin e proteinave të bëra me porosi përmes inxhinierisë gjenetike, të përshtatura për zbatime specifike.

Edhe pse arkeat u zbuluan si një grup i veçantë relativisht kohët e fundit dhe kultivimi i tyre mbetet sfidues në shumë raste, kombinimi i teknikave selektive të mbarështimit, metagenomikës, sekuencimit masiv dhe biologjisë strukturore po zbulon detaje gjithnjë e më të mëdha rreth diversitetit dhe aftësive të tyre. Të gjitha treguesit sugjerojnë se kjo fushë e jetës, aq diskrete sa është e bollshme, ka ende shumë për të kontribuar si në kuptimin e origjinës sonë ashtu edhe në zhvillimin e teknologjive më efikase dhe të qëndrueshme.