MIỀN ARCHAEA: NGUỒN GỐC, ĐẶC ĐIỂM, PHÂN LOẠI, DINH DƯỠNG - SINH HỌC - 2026

Miền cổ xưa hay vương quốc cổ đại đại diện cho một trong ba lĩnh vực của sự sống. Nó bao gồm các sinh vật nhân sơ đơn bào cực nhỏ rất giống và đồng thời rất khác với vi khuẩn và sinh vật nhân thực ở nhiều khía cạnh.

Sự tồn tại của nhóm này đã được chứng minh một thời gian ngắn trước đây, ít nhiều là vào cuối những năm 1970, bởi một nhóm các nhà nghiên cứu do Carl Woese đứng đầu, họ cho rằng sự sống có thể được chia thành sinh vật nhân chuẩn và hai loại sinh vật nhân sơ: vi khuẩn và archaea, còn được gọi là vi khuẩn khảo cổ.

Suối nước nóng "Morning Glory" ở Vườn quốc gia Yellowstone, Hoa Kỳ, nơi có màu của vi khuẩn cổ (Nguồn: ZYjacklin qua Wikimedia Commons) Các nghiên cứu của Woese và các cộng tác viên dựa trên phân tích phát sinh loài so sánh giữa các trình tự RNA ribosome của tất cả các sinh vật sống, và khái niệm về ba miền vẫn được duy trì, bất chấp số lượng lớn các trình tự tiếp tục được thêm vào danh mục RNA ribosome (cơ sở dữ liệu).

Những nghiên cứu này đã tìm ra khả năng rằng vi khuẩn cổ là một nhóm chị em với sinh vật nhân thực, mặc dù chúng có những điểm tương đồng với các sinh vật nhân sơ (vi khuẩn), vì vậy chúng có thể đại diện cho "liên kết còn thiếu" giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn.

Mặc dù rất ít những người chuyên tâm vào nghiên cứu vi khuẩn cổ và nhóm này bị khá nhiều sinh viên ngành sinh học phớt lờ, nhưng người ta tin rằng những vi sinh vật này đại diện cho hơn 20% tổng số sinh vật nhân sơ tồn tại trong các vùng nước đại dương, từ 1 đến 1 5% trong các loại đất, và là nhóm chiếm ưu thế nhất trong trầm tích biển và các sinh cảnh địa nhiệt.

Ngoài ra, archaea có đặc điểm là sống trong điều kiện "khắc nghiệt" như suối nước nóng, nước mặn, môi trường có nhiệt độ rất cao và độ pH rất axit, những nơi khắc nghiệt, nơi có nồng độ oxy rất thấp hoặc trống rỗng, v.v.

Những vi sinh vật này có tầm quan trọng lớn về mặt sinh thái vì chúng tham gia vào nhiều chu trình sinh địa hóa, chẳng hạn như đóng góp vào chu trình cacbon, nitơ và lưu huỳnh.

Nguồn gốc tiến hóa và mối quan hệ phát sinh loài

Có ba lý thuyết về nguồn gốc có thể có của ba lĩnh vực sự sống do Woese và các đồng nghiệp đề xuất:

1. Các vi khuẩn phân kỳ trước, tạo thành một dòng sinh ra vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn.
2. Dòng dõi "sinh vật nhân chuẩn" tách ra khỏi dòng hoàn toàn sinh vật nhân sơ (vi khuẩn và vi khuẩn cổ)
3. Archaea tách ra khỏi một dòng dõi mà sau này sinh ra sinh vật nhân chuẩn và vi khuẩn

Năm 1989, hai nhà nghiên cứu, Gogarten và Iwabe, đã đề xuất một cách độc lập một phương pháp phân tích tất cả các sinh vật sống về mặt phát sinh loài (điều không thể thực hiện được từ các nghiên cứu trình tự gen đơn lẻ).

Iwabe đã sử dụng phân tích trình tự của các gen được tạo ra trong các sự kiện "ban đầu" của quá trình nhân đôi gen, "tạo rễ" cho cây sự sống từ việc so sánh trình tự của các gen mô tả mã hóa các yếu tố kéo dài.

Yếu tố kéo dài là các protein liên kết GTP tham gia vào quá trình dịch mã, đặc biệt trong việc liên kết các phân tử RNA chuyển amyoacyl hóa với ribosome và trong quá trình chuyển vị của RNA chuyển peptidyl.

Theo kết quả so sánh giữa trình tự của ba nhóm, gen mã hóa các yếu tố kéo dài ở vi khuẩn cổ giống của sinh vật nhân thực hơn là gen của vi khuẩn.

Cây sự sống (Nguồn: Tập tin: Cây nhãn đã thu gọn đơn giản hóa.png Người tải lên ban đầu là TimVickers tại Wikipedia tiếng Anh. Bản dịch sang galician bởi Elisardojm qua Wikimedia Commons) Gogarten, mặt khác, so sánh trình tự của các gen khác được tạo ra bởi các sự kiện của sự sao chép, đặc biệt của những nhân bản mã cho các tiểu đơn vị loại V và loại F của enzym ATPase được tìm thấy trong vi khuẩn cổ / sinh vật nhân chuẩn và vi khuẩn, tương ứng.

Các kết quả do Gogarten thu được, giống như các kết quả đã nêu ở trên, chứng minh rằng các gen này ở vi khuẩn cổ (có lẽ là phát sinh từ các sự kiện sao chép di truyền) có liên quan chặt chẽ hơn với sinh vật nhân chuẩn hơn là các gen vi khuẩn của chúng.

Những lập luận này cũng được hỗ trợ bởi phân tích được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu khác nhiều năm sau đó, họ đã sử dụng trình tự từ một họ gen nhân bản khác, trình tự của RNA aminoacyl synthetase chuyển, củng cố quan niệm về "sự gần gũi" giữa vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn.

Cây của Woese

Woese's Tree of Life

Woese đã sử dụng các phân tích được thực hiện bởi Gogarten và Iwabe và các nghiên cứu khác liên quan đến trình tự RNA ribosome để đề xuất “phiên bản” của cây sự sống, nơi rõ ràng rằng vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn tạo thành các nhóm “chị em”, tách biệt với các nhóm. vi khuẩn mặc dù trình tự ARN ribosom giữa vi khuẩn cổ và vi khuẩn giống nhau hơn.

Đặc điểm chung của miền archaea

Archaea được biết đến với một số đặc điểm rất đặc biệt (riêng của chúng) và cũng như thể hiện "sự kết hợp" của các đặc điểm từng được cho là chỉ dành riêng cho vi khuẩn hoặc sinh vật nhân thực.

- Giống như vi khuẩn, vi khuẩn cổ là sinh vật nhân sơ , nghĩa là bên trong vật chất di truyền không có màng bao bọc (chúng không có nhân) và không có các bào quan tế bào chất có màng.

- Chúng nói chung là những vi sinh vật có kích thước tương tự như vi khuẩn, DNA của chúng ở dạng nhiễm sắc thể hình tròn và một số đoạn tròn nhỏ hơn được gọi là plasmid .

- Chúng có chung sự hiện diện của các enzym topoisomerase và gyrase tương tự với vi khuẩn, điều này thể hiện bằng chứng “gián tiếp” về sự “gần gũi” về cấu trúc nhiễm sắc thể của cả hai nhóm sinh vật.

- Tuy nhiên, các gen của vi khuẩn cổ cho thấy sự tương đồng tuyệt vời với nhiều gen của sinh vật nhân chuẩn, đặc biệt là những gen mà khám phá của chúng có được từ các nghiên cứu với thuốc kháng sinh.

- Bộ máy sao chép , phiên mã và dịch mã của sinh vật nhân thực và vi khuẩn cổ rất giống nhau, đặc biệt là đối với enzim ADN polymeraza.

- Các gen mã hóa protein của chúng không có intron (nhưng các gen khác thì có), ngược lại là gen của sinh vật nhân thực. Hơn nữa, vi khuẩn cổ có các protein giống như histone liên kết với DNA của chúng, có ở sinh vật nhân chuẩn và không có ở vi khuẩn.

- Chúng được đặc trưng bởi sự hiện diện của isoprenyl ether-lipid trong màng tế bào của chúng, cũng như không có lipid acyl-ester và một enzym tổng hợp axit béo.

- Một trong những tiểu đơn vị của enzyme RNA polymerase của nó được phân chia và các RNA thông tin của nó, như ở vi khuẩn, không có "mũ trùm đầu" (từ tiếng Anh là cap) ở đầu 5 'của chúng.

- Chúng có một phạm vi nhạy cảm rất cụ thể với kháng sinh và có các enzym giới hạn loại II rất giống với các enzym đã được mô tả đối với vi khuẩn.

- Một đặc điểm quan trọng khác liên quan đến thực tế là một phần lớn của vi khuẩn cổ có thành tế bào , nhưng không giống như vi khuẩn, thành tế bào này không được cấu tạo bởi peptidoglycan.

Đặc điểm của màng lipid

Các lipid màng của vi khuẩn cổ có sự khác biệt đáng kể so với các lipid được tìm thấy ở vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn, và đây được coi là một đặc điểm khác biệt rất quan trọng.

Sự khác biệt chính giữa các phân tử lưỡng tính này (với một đầu phân cực ưa nước và một đầu cực kỵ nước) là liên kết giữa phần glycerol và chuỗi axit béo trong lipid của archaea là thông qua liên kết ete, trong khi ở vi khuẩn và sinh vật nhân thực tương ứng với một liên kết este.

Một sự khác biệt quan trọng khác là vi khuẩn cổ có lipid với các axit béo đặc trưng bởi sự hiện diện của chuỗi isoprenyl phân nhánh cao với các nhóm metyl, trong khi sinh vật nhân chuẩn và vi khuẩn chủ yếu có các axit béo chuỗi không phân nhánh.

Chất béo của sinh vật nhân thực và vi khuẩn được "xây dựng" trên xương sống glycerol mà các chuỗi axit béo được este hóa ở các vị trí tương ứng với các nguyên tử cacbon 1 và 2, nhưng trong các ete glycerol của vi khuẩn cổ có chứa axit béo ở vị trí 2 và 3.

Một sự khác biệt khác đối với lipid màng liên quan đến con đường sinh tổng hợp của chúng, vì một số enzym cũng khác nhau trong vi khuẩn cổ.

Ví dụ, một số loài vi khuẩn cổ có một enzym prenyl transferase đa chức năng, enzym này chịu trách nhiệm cung cấp các tiền chất cho cả quá trình tổng hợp squalene và tổng hợp các isoprenoids glyceryl-lipid. Ở vi khuẩn và sinh vật nhân thực, các chức năng này được thực hiện bởi các enzym riêng biệt.

Phân loại archaea

Theo dữ liệu về trình tự của các tiểu đơn vị nhỏ của RNA ribosome của vi khuẩn cổ, nhóm này chủ yếu được chia thành hai "phyla", được gọi là phylum Crenarchaeota và phylum Euryarchaeota, có các thành viên, ở trên tất cả, archaea được trồng trong ống nghiệm.

Tuy nhiên, nhiều loài vi khuẩn cổ được mô tả gần đây không được nuôi cấy trong ống nghiệm và chỉ có quan hệ xa với các trình tự đã được phân lập từ các loài được duy trì trong phòng thí nghiệm.

Ngành Crenarchaeota

Nhóm này chủ yếu được hình thành bởi các loài archaea ưa nhiệt và ưa nhiệt, có nghĩa là, những giống archaea sống trong môi trường khắc nghiệt với điều kiện nhiệt độ và pH khắc nghiệt.

Nó bao gồm một lớp phân loại đơn lẻ, được gọi là Thermoprotei, trong đó có năm thứ tự phân loại sau: Acidilobales, Desulfurococcales, Fervidicoccales, Sulfolobales và Thermoproteales.

Ví dụ về một số chi thuộc các lớp nói trên có thể là các chi Sulfolobus, Desulforococcus, Pyrodictium, Thermoproteus và Thermofilum.

Ngành euryarchaeota

Các thành viên của nhóm này có phạm vi sinh thái rộng hơn một chút, có thể được tìm thấy trong đó một số loài ưa nhiệt, ưa methanogenic, ưa halogen và thậm chí cả loài ưa nhiệt, archaea khử nitơ, khử lưu huỳnh, oxy hóa sắt và một số sinh vật hữu cơ.

Các lớp phân loại được mô tả cho Euriarchaeotes là tám và được gọi là Methanopyri, Methanococci, Methanobacteria, Methanomicrobia, Archaeglobi, Halobacteria, Thermococci và Thermoplasmata.

Nhiều loài vi khuẩn cổ thuộc nhóm này phân bố rộng rãi, được tìm thấy trong đất, trầm tích và nước biển, cũng như trong các môi trường khắc nghiệt được mô tả.

Ngành Thaumarchaeota

Loài cây này được xác định tương đối gần đây và rất ít loài thuộc họ được nuôi cấy trong ống nghiệm, vì vậy rất ít thông tin về những sinh vật này.

Tất cả các thành viên của mỏm cắt đều thu được năng lượng từ quá trình oxy hóa amoniac và được phân bổ trên toàn cầu trong các vùng nước ngọt, đất, trầm tích và nước nhiệt.

Phyla Korarchaeota , Aigarchaeota và Goarchaeota

Một số nhà nghiên cứu có kỹ năng trong lĩnh vực này, dựa trên phân tích trình tự bộ gen, gần đây đã xác định được sự tồn tại của ba loại phyla bổ sung trong vương quốc Archaea, mặc dù loài được đề xuất cho những phyla này vẫn chưa được phân lập trong phòng thí nghiệm.

Nhìn chung, các thành viên của các phyla này đã được tìm thấy dưới bề mặt của nhiều hệ sinh thái trên cạn và biển, nhưng cũng có trong các suối nước nóng và hệ thống thủy nhiệt ở biển sâu.

Dinh dưỡng

Hầu hết các loài vi khuẩn cổ có sinh vật hóa dưỡng, tức là chúng có khả năng sử dụng các hợp chất vô cơ có tính khử cao để lấy năng lượng cần thiết để "vận động" bộ máy trao đổi chất của chúng, đặc biệt là bộ máy liên quan đến hô hấp.

Tính "đặc hiệu" cho các phân tử vô cơ mà chúng sử dụng làm chất nền để tạo ra năng lượng phụ thuộc vào môi trường nơi mỗi loài cụ thể phát triển.

Các loài vi khuẩn cổ khác, cũng như thực vật, tảo, bryophytes và vi khuẩn lam đều có khả năng quang hợp, tức là chúng sử dụng và chuyển đổi năng lượng ánh sáng của tia nắng mặt trời thành năng lượng hóa học có thể sử dụng được.

Một số vi khuẩn cổ đã được chứng minh là cư trú trong dạ dày (dạ cỏ) của một số động vật nhai lại (trong đó có bò, cừu, dê, v.v.), đó là lý do tại sao chúng được xếp vào loại "vi khuẩn cổ tương sinh", vì chúng tiêu thụ một phần chất xơ mà những con vật này ăn vào và cộng tác với quá trình tiêu hóa một số thành phần của nó.

Sinh sản

Giống như vi khuẩn, vi khuẩn cổ là những sinh vật đơn bào có sự sinh sản hoàn toàn là vô tính. Các cơ chế chính được mô tả từ các loài được duy trì trong ống nghiệm là:

- Phân hạch nhị phân, trong đó mỗi vòm được "chia đôi" để tạo ra hai ô giống hệt nhau

- Chồi hoặc "phân mảnh", nơi các tế bào tự sản sinh ra các "mảnh" hoặc "phần" có khả năng hình thành các tế bào mới, giống hệt nhau về mặt di truyền.

Môi trường sống

Archaea chủ yếu liên quan đến môi trường “khắc nghiệt”, tức là những nơi tự nhiên áp đặt những hạn chế nghiêm trọng đối với sự phát triển bình thường của sinh vật, đặc biệt là về nhiệt độ, độ pH, độ mặn, vi sinh vật kỵ khí (thiếu oxy), v.v. ; đó là lý do tại sao nghiên cứu của họ cực kỳ thú vị, vì họ có khả năng thích ứng độc đáo.

Tuy nhiên, các kỹ thuật phân tích phân tử gần đây nhất để xác định các loài vi sinh vật không được nuôi cấy (được phân lập và giữ trong ống nghiệm trong phòng thí nghiệm) đã giúp phát hiện sự hiện diện của vi khuẩn cổ trong các môi trường hàng ngày như đất, dạ cỏ của một số động vật, nước biển và hồ, trong số những nước khác.

Tuy nhiên, hầu hết các vi khuẩn cổ đã được xác định trong tự nhiên được phân loại theo môi trường sống mà chúng chiếm giữ, các thuật ngữ "ưa nhiệt", "ưa axit" và "ưa nhiệt cực đoan", "ưa nhiệt cực độ" rất quen thuộc trong tài liệu. và "methanogens".

Các môi trường có vi khuẩn cổ ưa nhiệt là những môi trường được đặc trưng bởi nhiệt độ ổn định rất cao (cao hơn nhiều so với nhiệt độ "bình thường" mà hầu hết các sinh vật sống phải chịu).

Mặt khác, những môi trường nơi sinh vật ưa axit cực độ là những môi trường có độ pH rất thấp và chúng cũng có thể được phân biệt bằng nhiệt độ cao (ưa nhiệt cực đoan), trong khi đó môi trường của những người ưa axit cực độ là những nơi có nồng độ muối rất cao. .

Vi khuẩn methanogenic Archaea sống trong điều kiện không có oxy hoặc vi khuẩn kỵ khí, trong môi trường mà chúng có thể sử dụng các phân tử khác làm chất nhận điện tử trong quá trình trao đổi chất và có khả năng tạo ra mêtan như một sản phẩm "chất thải" trao đổi chất.

Ví dụ về các loài archaea

Có rất nhiều loài vi khuẩn cổ được biết đến, nhưng chỉ một số loài trong số chúng sẽ được đề cập ở đây.

Ignicoccus Hospitalis và Nanoarchaeum equitans

I. Hospitalis thuộc chi crenarqueotes được gọi là Ignicoccus và là một sinh vật tự dưỡng hóa học sử dụng hydro phân tử làm chất cho điện tử để khử lưu huỳnh. Loài này có bộ gen nhỏ nhất trong tất cả các loài vi khuẩn cổ được mô tả trong ống nghiệm cho đến nay.

I. Hospitalis hoạt động giống như "ký sinh" hoặc "cộng sinh" của một loài khác: Nanoarchaeum equitans. Loài sau chưa được nuôi cấy trong ống nghiệm và bộ gen của nó là gen nhỏ nhất trong số tất cả các vi khuẩn cổ chưa được nuôi cấy đã được mô tả.

Nó sống chủ yếu trong môi trường biển và không có gen sinh tổng hợp lipid, axit amin, nucleotide hoặc cofactor, vì vậy bằng chứng thực nghiệm cho thấy rằng nó có được những phân tử này nhờ tương tác với I. Hospitalis.

Acidilobus saccharovorans

Đây là một loài vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt, tức là chúng sống trong môi trường nghèo nàn hoặc hoàn toàn không có oxy, với nhiệt độ cao và độ pH cực thấp. Nó lần đầu tiên được tìm thấy trong các suối nước nóng trên cạn ở Kamchatka.

Staphylothermus hellenicus

Cổ này thuộc về rìa của bộ Crenarqueotas, đặc biệt là bộ Desulfurococcales. Nó là một vi khuẩn dị dưỡng ưa nhiệt (sống trong môi trường rất nóng) và cần lưu huỳnh để cung cấp năng lượng.

Người giới thiệu

1. Belfort, M., & Weiner, A. (1997). Một cầu nối khác giữa các vương quốc: nối tRNA ở sinh vật cổ và sinh vật nhân chuẩn. Ô, 89 (7), 1003-1006.
2. Berg, IA, Kockelkorn, D., Ramos-Vera, WH, Say, RF, Zarzycki, J., Hügler, M.,… & Fuchs, G. (2010). Sự cố định cacbon tự dưỡng trong vi khuẩn cổ. Nature Reviews Microbiology, 8 (6), 447.
3. Brown, JR, & Doolittle, WF (1997). Archaea và sự chuyển đổi từ prokaryote sang eukaryote. Vi sinh. Mol. Biol. Rev., 61 (4), 456-502.
4. Chaban, B., Ng, SY, & Jarrell, KF (2006). Môi trường sống của Archaeal - từ cực đoan đến bình thường. Tạp chí vi sinh vật học của Canada, 52 (2), 73-116.
5. Gambacorta, A., Trincone, A., Nicolaus, B., Lama, L., & De Rosa, M. (1993). Tính năng độc đáo của lipid của Archaea. Vi sinh vật hệ thống và ứng dụng, 16 (4), 518-527.
6. Junglas, B., Briegel, A., Burghardt, T., Walther, P., Wirth, R., Huber, H., & Rachel, R. (2008). Ignicoccus Hospitalis và Nanoarchaeum equitans: siêu cấu trúc, tương tác giữa tế bào và tái tạo 3D từ các phần nối tiếp của các tế bào được thay thế bằng đông lạnh và bằng phương pháp đo điện tử. Lưu trữ vi sinh vật học, 190 (3), 395–408.
7. Klenk, HP, & Göker, M. (2010). Trên đường đi đến sự phân loại dựa trên bộ gen của vi khuẩn cổ và vi khuẩn? Vi sinh hệ thống và ứng dụng, 33 (4), 175-182.
8. Offre, P., Spang, A., & Schleper, C. (2013). Archaea trong các chu trình sinh địa hóa. Đánh giá hàng năm về vi sinh, 67, 437-457.
9. Winker, S., & Woese, CR (1991). Định nghĩa các miền Archaea, Bacteria và Eucarya về đặc điểm RNA ribosome tiểu đơn vị nhỏ. Vi sinh vật hệ thống và ứng dụng, 14 (4), 305-310.
10. Wu, D., Hugenholtz, P., Mavromatis, K., Pukall, R., Dalin, E., Ivanova, NN,… & Hooper, SD (2009). Một bách khoa toàn thư về hệ gen của vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Thiên nhiên, 462 (7276), 1056.