Archaea și sensul vieții
Oamenilor le place nespus de mult să împartă lucrurile în două – abordarea noastră a clasificării taxonomice nu face excepție. Cel mai vechi sistem publicat de Linnaeus a împărțit organismele vii în animale și plante, iar până în anii 1960 acesta a fost înlocuit de o separare mai fundamentală între procariote și eucariote. Prin urmare, nu ar trebui să fie o surpriză faptul că ideea unui al treilea domeniu al vieții – Archaea – a întâmpinat o rezistență acerbă atunci când a fost propusă în anii 1970.
O scurtă istorie a Archaea: din 1977 până în prezent
Archaea sunt larg răspândite pe Pământ și totuși se știe relativ puțin despre ele, în afara grupurilor selecte de oameni care studiază aceste organisme fascinante. Ele reprezintă un mister care se dezleagă încet de la „descoperirea” lor în 1977 de către Carl Woese și grupul său, inclusiv George Fox, în timp ce lucrau la Universitatea din Illinois.
Metanogenii (archaea care produc metan) și alte grupuri de microorganisme, inclusiv halobacteriile (numite acum archaea halofile), precum și termofilele, fuseseră deja descoperite, dar fuseseră clasificate greșit în domeniul Bacterii. Woese a descoperit că aceste organisme nu împărtășeau doar dragostea pentru mediile extreme, ci și că sunt înrudite între ele din punct de vedere filogenetic. Cu toate acestea, el a fost surprins să descopere că sunt fundamental distincte de bacterii.
Woese folosea ARNr de subunitate mică (ARN ribozomal) pentru a construi un nou arbore filogenic. ARNr de subunitate mică este o componentă esențială a tuturor organismelor care se autoreplică și prezintă o conservare remarcabilă a secvenței. Acest lucru a făcut-o o alegere perfectă pentru un cronometru molecular. La vremea respectivă, această abordare moleculară a filogeniei era nouă – metodele anterioare se bazau în schimb pe caracteristici vizibile, cum ar fi forma celulelor sau condițiile de creștere. Woese a descoperit că procariotele nu reprezintă un domeniu coerent, ci sunt alcătuite din două grupuri distincte: Bacteria și Archaea. La vremea respectivă, acestea au fost denumite „Eubacteria” și, respectiv, „Archaebacteria”, dar s-a constatat că aceste două grupuri de procariote nu sunt mai asemănătoare între ele decât cu eucariotele. Woese a propus ca arborele vieții să aibă trei ramuri egale – Archaea, Bacteria și Eukarya – și ca termenul „procariot” să fie abandonat, deoarece nu are nicio semnificație taxonomică. În mod nesurprinzător, ideile sale nu au fost universal populare.
L-D: O PISCINĂ DE NĂMÂNT, WAIOTAPU; PISCINĂ DE CÂMPIE, WAIOTAPU; O VÂRSĂ CALDĂ ÎN PARCUL NAȚIONAL YELLOWSTONE; DEPOZITE DE SULFUR, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Ca în cazul oricărei noi descoperiri, există sceptici, dar datele biochimice de la Wolfram Zillig au susținut datele privind ARNr 16S colectate de Woese. În timp, noul domeniu al Archaea a fost acceptat de comunitatea științifică. Interesul pentru archaea a crescut și mai mult după ce secvențierea întregului genom a luat avânt în anii 1990, iar cercetătorii au trecut din ce în ce mai mult de la bacterii sau eucariote la lucrul cu aceste microorganisme exotice. Dar, contrar credinței populare, nu toate archaea sunt extremofile. Ele au fost găsite și în medii „normale”, cum ar fi solul și oceanul, precum și în medii în care coabitează cu bacteriile. De exemplu, în intestinul uman, archaea este responsabilă pentru producerea de metan! Cu toate acestea, spre deosebire de bacterii, nu au fost găsite niciodată archaea patogene.
Au trecut aproape 40 de ani de la reclasificarea lor într-un nou domeniu, dar încă se descoperă multe alte specii de archaea. Secvențierea ADN-ului s-a îmbunătățit dramatic, ceea ce înseamnă că archaea nu mai trebuie să fie cultivată pentru a fi caracterizată. Acest lucru a dus la descoperirea unor neamuri complet noi. Pe baza datelor filogenetice (ARNr 16S și alte gene), domeniul Archaea a fost inițial împărțit în două grupuri: Euryarchaeota și Crenarchaeota. Cu toate acestea, începând din 2006, au fost descoperite alte trei linii genetice: Thaumarchaeota, Aigarchaeota și Korarchaeota. Aceste trei grupuri noi sunt adesea combinate cu Crenarchaeota pentru a forma superfilumul „TACK” (mai multe detalii despre acest lucru mai târziu). Chiar și mai recent, au fost raportate noi linii de archaea „nano”, care se caracterizează printr-o celulă de dimensiuni mici cu foarte puține gene. Descoperirea constantă de noi specii și grupuri face din Archaea un domeniu foarte fluid, arborele filogenetic schimbându-se odată cu fiecare nouă descoperire.
TIMELINEA ARCHAEA DE LA DESCOPERIREA LOR PÂNĂ ÎN PREZENT.
Originea vieții?
Archaea poate semăna la prima vedere cu bacteriile și există cu siguranță multe asemănări superficiale, dar dacă sapi mai adânc, archaea are mai multe în comun cu eucariotele. De fapt, în prezent este larg acceptat faptul că archaea sunt strămoșii tuturor eucariotelor.
Archaea, ca și bacteriile, sunt organisme unicelulare cu un genom circular de ADN bicatenar și nu au nici membrană nucleară, nici organite. Acest lucru înseamnă că sunt asemănătoare cu bacteriile în ceea ce privește structura celulară, deși există diferențe. Archaea nu are un perete celular de tip bacterian, iar membrana lor plasmatică este diferită de cea întâlnită atât la bacterii, cât și la eucariote. Însă, în interiorul celulei, archaea prezintă o asemănare familială izbitoare cu eucariotele. Acest lucru este valabil în special pentru mașinăria enzimatică care procesează informația genetică – împachetarea și replicarea ADN-ului, transcrierea în ARN și traducerea în proteine. Toate aceste procese sunt, în esență, aceleași la archaea și la eucariote și sunt destul de distincte de cele ale bacteriilor.
Acest lucru ne determină să ne întrebăm: dacă archaea sunt mai strâns înrudite cu eucariotele decât cu bacteriile, atunci cum se încadrează ele în arborele vieții?
Arborele filogenetic propus de Woese a fost împărțit în trei domenii egale, cu Archaea și Eukarya împărțind un strămoș comun care a deviat deja de la Bacterii. Cu toate acestea, biologii care lucrează la originile vieții au ajuns recent la concluzia că Eukarya și Archaea nu sunt grupuri surori. În schimb, eucariotele sunt descendenții direcți ai archaea, iar strămoșul nostru demult dispărut aparține superfilarului „TACK” al archaea. Una dintre cele mai interesante descoperiri noi din ultimul an a fost identificarea unei „verigi lipsă” între Eukarya și Archaea. Numite Lokiarchaeota, acestea au fost găsite în apropierea unei guri de aerisire hidrotermală într-un loc cunoscut sub numele de Castelul lui Loki din Oceanul Arctic.
Pot fi folosite cunoștințele noastre despre archaea pentru a urmări originile vieții complexe? Microfosilele eucariote pot fi datate până acum 1,8 miliarde de ani, dar metanul biologic a fost găsit în roci vechi de 3,4 miliarde de ani. Singura sursă de metan biologic este Euryarchaeota metanogenă, deci știm că archaea există încă de la începuturile vieții pe Pământ. În ceea ce privește viața pe alte planete, este tentant să speculăm că archaea ar fi putut coloniza și Marte – există tot mai multe dovezi că metanul din atmosfera marțiană are o origine biologică.
DR THORSTEN ALLERS DE LA UNIVERSITATEA DIN NOTTINGHAM EXPLOREAZĂ CUM AU FOST DESCOPERITE PENTRU PRIMA DATĂ ACESTE MICRO-ORGANISME FASCINANTE – ȘI CUM NE-AU FĂCUT SĂ NE RECONSIDERĂM PROPRIUL LOC PE ARBORELE VIEȚII.
Revoluția lui Woese
Ce înseamnă descoperirile recente pentru noi, oamenii? Având în vedere dorința noastră de dihotomie, ar trebui să fim ușurați de faptul că arborele vieții a fost redus la doar două ramuri primare – Bacteria și Archaea. Și, mai mult decât orice altceva, ar trebui să-i acordăm credit lui Carl Woese, a cărui revoluție taxonomică ne-a permis să ne urmărim strămoșii până la umilele lor începuturi ca celule arheale.
ARBORELE FILOGENETIC UNIVERSAL ÎN FORMĂ DE RĂDĂCINI, AFIRMÂND CELE TREI DOMENII.
HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
CITEȘTE ȘI MAI DEPARTE
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & alții (2015). Archaea complexe care fac legătura între procariote și eucariote. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & alții (2013). O origine arheală a eucariotelor susține doar două domenii primare ale vieții. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). Towards a natural system of organisms: propunere pentru domeniile Archaea, Bacteria și Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.
.