Лекция 2. СИСТЕМАТИКА ПРОКАРИОТ. ГРУППЫ ПРОКАРИОТНЫХ ОРГАНИЗМОВ
Долгое время изучение микробов носило описательный характер, следствием чего естественно встал вопрос об их систематике Начиная с Аристотеля (384 – 322 до н.э.), которому принадлежит первая попытка систематизировать накопленные к тому времени сведения об организмах, биологи делили живой мир на два царства – растений и животных.
Первой научной классификацией явилась Animalcula infusoria («зверушки» распространённые» [от лат. infusus, влитый, распространённый]) К. Мюллера, выделявшая роды Monas и Vibrio, но относящая бактерии к инфузориям. Лишь после усовершенствования микроскопов (1820-1870) были предприняты попытки более точных классификаций микробов (Эренбёрг, Дюжардён, Кон, Нэгели), окончательно установившими принадлежность бактерий к царству растений.
Во второй половине 19 века немецкий биолог Э.Геккель (1834-1919) предложил выделить все микроорганизмы, у которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани (простейшие, водоросли, грибы, бактерии) в отдельное царство Protista (протисты – первосущества protos – самый простой греч.), включив в него организмы, во многих отношениях занимающие промежуточное положение между растениями и животными. Термин «protista» и сейчас применим для обозначения объектов, исследуемых микробиологами.
Данные о различии в строении клеток микроорганизмов, входящих в группу Protista, начали накапливаться с конца 19 века. Это повлекло за собой деление группы на высшие и низшие протисты. К высшим протистам стали относить микроскопических животных (простейших), микроскопические водоросли (кроме сине-зеленых) и микроскопические грибы (плесени, дрожжи), к низшим – все бактерии и сине-зеленые водоросли – цианобактерии). Деление на высшие и низшие протисты происходило в соответствии с двумя выявленными типами клеточной организации – эукариотной и прокариотной. Высшие протисты имеют эукариотное строение клеток, низшие – прокариотное.
Современная классификация микроорганизмов.
В соответствии с определенными признаками все известные живые существа делят на 4 царства: эукариоты, эубактерии, архебактерии, вирусы и плазмиды. К прокариотам, объединяющим эубактерии и архебактерии, относятся бактерии, низшие (сине-зеленые) водоросли, спирохеты, актиномицеты, риккетсии и им подобные бактерии, микоплазмы. Простейшие, дрожжи и нитчатые грибы - эукариоты.
Микроорганизмы - это невидимые простым глазом представители всех царств жизни : эукариоты, прокариоты (эубактерии и архебактерии), вирусы и плазмиды. Они занимают низшие ступени эволюции, но играют важную и разнообразную роль в общей экономике природы, в круговороте веществ, в патологии человека, животных и растений.
Отличительные особенности перечисленных царств жизни следующие.
Сопоставление некоторых черт прокариотной и эукариотной клеточной организации представлено в таблице 1.
Таблица 1
признак
|
Прокариотная клетка
|
Эукариотная клетка
|
Организация генетического материала
|
Нуклеоид (ДНК не отделена от цитоплазмы мембраной), состоящий из одной хромосомы, митоз отсутствует
|
Ядро (ДНК отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой), содержащее больше одной хромосомы, деление ядра путем митоза
|
Локализация ДНК
|
В нуклеоиде и плазмидах, не ограниченных элементарной мембраной
|
В ядре и некоторых органеллах
|
Цитоплазматические органеллы
|
Отсутствуют
|
Имеются
|
Рибосомы в цитоплазме
|
70S - типа
|
80S - типа
|
Движение цитоплазмы
|
Отсутствует
|
Часто обнаруживается
|
Клеточная стенка (там, где она имеется)
|
В большинстве случаев содержит пептидогликан
|
Пептидогликан отсутствует
|
жгутики
|
Нить жгутика построена из белковых субъединиц, образующих спираль
|
Каждый жгутик содержит набор микротрубочек, собранных в группы: 2х9 +2
|
Типичный диаметр
|
|
|
Локализация окислительного фосфорилирования
|
Цитоплазматическая мембрана
|
митохондрии
|
Локализация фотосинтетического фосфорилирования
|
Цитоплазматическая мембрана
|
хлоропласты
|
вакуоли
|
редко
|
обычно
|
К царству вирусов и плазмид относят организмы, у которых геном представлен либо ДНК, либо РНК; у них отсутствуют собственные системы биосинтеза белка и мобилизации энергии, поэтому они являются абсолютными внутриклеточными паразитами.
Архебактерии отличаются от эубактерии и эукариот в такой же степени, в какой последние отличаются друг от друга. Основные отличия архебактерии от эубактерии: химический состав жесткой клеточной стенки иной по сравнению с эубактериями, она не содержит пептидогликана; у архебактерии особая химическая структура липидов, иной компонентный состав РНК-полимераз; есть повторяющиеся последовательности в составе хромосомной ДНК; наличие интронов в генах тРНК и рРНК; различие в химическом составе и строении рибосом.
Сходство архебактерий с эукариотами: наличие интронов в генах тРНК и рРНК; наличие в хромосомных ДНК повторяющихся последовательностей; сходный компонентный состав РНК-полимераз; чувствительность белоксинтезирующих систем к дифтерийному токсину; сходство ферментных систем. Участвующих в процессах репликации. Транскрипции и трансляции. Рибосомы архебактерий имеют сходство с рибосомами 70S и 80S
Категории таксономии
Категории таксономии - ступени, ранги иерархической лестницы организмов в биол. систематике. Согласно Кодексу номенклатуры бактерий в их систематике используют следующие основные таксоны (в восходящем порядке): вид (Species), род (Genus), семейство (Familia), порядок (Ordo), класс (Classis). Вид может быть разделен на подвиды (Subspecies). Таксон "разновидность" в систематике бактерий не принят. На К. т. ниже подвида правила не распространяются, но Кодекс рекомендует к применению такие таксоны, как биовар, хемоформа, хемовар, патовар, серовар, фаза, состояние. Эти таксоны не имеют ранговой соподчиненности, и если они основаны на разных признаках, то могут перекрывать друг друга. В литературе также часто используют названия "популяция", "штамм" , "культура" , "клон" . Научные названия всех таксонов должны быть латинскими или латинизированными.
Нумерическая систематикиа. В основе ее лежат идеи, сформулированные в середине XVIII в. французским ботаником М. Адансоном (М. Adanson, 1727 — 1806): все признаки объекта считаются равноценными; при описании исследуемого объекта используется максимальное количество признаков, которые могут быть изучены и определены; степень сходства устанавливается на основании количества совпадающих признаков и выражается в виде коэффициента сходства. Последний для двух сравниваемых штаммов получают путем определения отношения числа одинаковых признаков к общему числу изученных признаков. Значение коэффициента сходства меняется в диапазоне от 1 (полная идентичность) до 0 (несовпадение ни по одному изученному признаку).
Наиболее полно задача быстрой идентификации прокариотных организмов решается с помощью Определителя бактерий Берги, выпускаемого периодически Обществом американских бактериологов с привлечением крупных специалистов в области изучения тех или иных групп бактерий. Первое издание определителя было выпущено в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д. X. Берги (D. H. Bergey, I860 — 1937); девятое издание в 4 томах вышло в 1984 — 1989 гг.
В девятом издании Определителя бактерий Берги все обнаруженные организмы, отнесенные в царство Prokaryotae, разделены на 33 группы. Признаки, по которым осуществляется разделение на группы, как правило, относятся к категории легко определяемых и вынесены в названия групп, например: грамотрицательные аэробные палочки и кокки (группа 4), анаэробные грамотрицательные кокки (группа 8), грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры (группа 13), скользящие бактерии, образующие плодовые тела (группа 24). Основная идея классификации "по Берги" — легкость идентификации бактерий. Для осуществления этого используют совокупность признаков: морфологических (форма тела; наличие или отсутствие жгутиков; капсулы; способность к спорообразованию; особенности внутриклеточного строения; окрашивание по Граму), культуральных (признаки, выявляемые при культивировании в лаборатории чистой культуры), физиолого-биохимических (способы получения энергии; потребности в питательных веществах; отношение к факторам внешней среды; нуклеотидный состав и последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК; наличие и характер минорных оснований в ДНК; нуклеотидный состав рибосомальной РНК; последовательность аминокислот в ферментных белках с аналогичными функциями).
В этом же руководстве предложена схема деления царства Prokaryotae на высшие таксоны (отделы, классы). В основу деления на отделы положено строение клеточной стенки. Название и краткая характеристика отделов и классов представлены в таблице.
Таблица Деление царства Ргоkагуоtае на высшие таксоны (Murray, 1984)
Отдел I. Gracilicutes
|
Отдел II. Firmicutes
|
Отдел III. Tenericutes
|
Отдел IV. Mendosicutes
|
Включает организмы с разной морфологией, имеющие грамотрицательную клеточную стенку. Размножение в основном бинарным делением, в некоторых группах – почкованием, в одной – множественным делением. Спор не образуют. Многие подвижны: с помощью жгутиков или скольжения. Аэробные, аназробные или факультативно аназробные формы. Отдел подразделяется на 3 класса, объединяющие нефотосинтезирующие (Scotobacteria) и фотосинтезирующие (Anoxyphotobacteria, Oxyphotobacteria) организмы
|
Входят организмы с грамположительной клеточной стенкой. Размножаются в основном бинарным делением. Некоторые образуют зндоспоры. У других споры на гифах или в спорангиях. Перемещаются с помощью жгутиков. Большинство неподвижны. В состав отдела входят азробные, анаэробные, факультативно анаэробные формы. В зависимости от морфологии предложено деление на 2 класса: Firmibacteria (кокки, палочки, неветвящиеся нити) и Thallobacteria (ветвящиеся формы)
|
Относятся прокариоты, у которых отсутствует клеточная стенка и не синтезируются предшественники пептидогликана. Клетки окружены ЦПМ, чрезвычайно плеоморфны. Размножение бинарным делением, почкованием, фрагментацией. Окрашивание по Граму отрицательное. Характерно образование мелких, врастающих в агар колоний. Могут быть сапрофитами, паразитами или патогенами. Представлены одним классом Mollicutes
|
Объединены прокариоты, по имеющимся данным, претендующие на более раннее происхождение, чем формы, включенные в 1 и 11 отделы. Клетки разной формы: кокки, палочки, нити. Многие плеоморфны. Большинство имеют клеточную стенку, но она не содержит типичного пептидогликана. Клеточная стенка может быть построена только из белковых макромолекул или гетерополисахаридов. Окрашивание по Граму отрицательное или положительное. Большинство – строгие аназробы. Многие имеют жгутики. Характеризуются экологическим и метаболическим разнообразием, способностью жить в экстремальных условиях. Объединены в класс Archaeobacteria
|
Термины образованы от следующих латинских слов: cutes – кожа; gracilis – тонкий; firmus – крепкий, прочный; tener – мягкий, нежный; mendosus – ошибочный.
Представленная в Определителе бактерий Берги система классификации является строго идентификационной и не решает задачи выявления эволюционных связей между прокариотами. В то же время конечной целью является построение такой системы, в основе которой лежали бы родственные связи между прокариотными организмами.
Первая попытка в этом направлении принадлежит С. Орла-Йенсену, предложившему филогенетическую систему бактерий, основанную на физиологических признаках. С. Орла-Йенсен исходил при этом из предположения, что, поскольку на первобытной Земле отсутствовало органическое вещество, первые бактерии должны были быть автотрофами. В качестве самых примитивных бактерий он рассматривал аэробные бактерии, окисляющие метан. Позднее такие попытки предпринимались крупнейшими микробиологами А. Клюйвером, К. ван Нилем, Р. Стейниером.
Важный шаг на пути создания естественной систематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии. В 60-х гг. было установлено, что все свойства организма определяются уникальными химическими молекулами — ДНК, поэтому бактерии могут быть классифицированы путем сравнения их геномов. По такому признаку, как генетический материал, оказалось возможным на основании выявления степени сходства делать вывод о степени родства между организмами. Первоначально для таксономических целей сравнивали молярное содержание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количества оснований ДНК у разных объектов. Этот показатель у прокариот колеблется от 25 до 75% . Однако ГЦ-показатель дает возможность только для грубого сравнения геномов.
Более тонкий метод оценки генетического сходства организмов — сравнение нуклеотидных последовательностей ДНК из разных источников методом ДНК-ДНК-гибридизации. Метод наиболее полезен для классификации на уровне вида, т. е. в случае высокой степени гомологии, и мало информативен для классификации объектов на уровне высоких таксонов. Метод описан в книге Маниатиса Т., Фрича Э., Самбрука Дж Молекулярное клонирование. М.: Мир, 1984. Выбор рРНК для решения проблем эволюционной систематики прокариот оказался удачным по ряду причин: эти молекулы обнаружены у всех клеточных форм жизни, что указывает на их древнейшее происхождение; их функции всегда одинаковы; первичная структура в целом характеризуется высокой консервативностью. Известно, что в рибосомах прокариот и эукариот присутствуют 3 типа рРНК, различающихся молекулярной массой и коэффициентом седиментации. Наиболее удобным оказался анализ молекул рРНК средней величины: 16S (у прокариот) и 18S (у эукариот), состоящих из 1600 и 2500 нуклеотидов соответственно. К настоящему времени последовательности 16S и 18S рРНК изучены более чем у 400 организмов, принадлежащих к разным царствам живой природы. На основании полученных данных рассчитаны коэффициенты сходства сравниваемых организмов, что привело к. неожиданным результатам: выявлены не две группы организмов, различающихся прокариотным и эукариотным типом клеточной организации, а три.
Одну образуют все эукариоты: высшие растения, животные, дрожжи, водоросли и т. п. В эту группу не вошли органеллы эукариот (митохондрии, хлоропласты). Таким образом, первая группа представлена ядерно-цитоплазматическим компонентом эукариотных клеток.
Ко второй группе, получившей название истинных бактерий, или эубактерий, относится подавляющее большинство прокариот. Сюда же попали на основании степени гомологии 16S рРНК митохондрии и хлоропласты эукариотных клеток.
Наконец, в третью группу вошли некоторые малоизученные прокариоты, обитающие в экстремальных условиях: метанобразующие бактерии, экстремальные галофилы и термоацидофилы. Эта группа организмов получила название архебактерий.
В настоящее время отсутствует сколько-нибудь детализированная эволюционная система прокариот. Все описанные выше попытки подойти к ее созданию позволяют сделать вывод о том, что решение этой проблемы — дело неблизкого будущего. Особенности прокариот в области морфологической, физиолого- биохимической, генетической организации говорят о неприменимости к ним хорошо разработанных принципов, используемых при построении системы высших организмов. Это, естественно, значительно усложняет задачу, но не делает ее безнадежной. Уже сейчас в мире прокариот для наиболее изученной части этих организмов — эубактерий — можно проследить основные направления эволюционного развития. Одна из многообещающих идей заключается в том, что в основе прогрессивной эволюции эубактерий лежит совершенствование способов получения ими энергии.
|
