ARCHAEA-DOMÄNE: HERKUNFT, MERKMALE, KLASSIFIZIERUNG, ERNÄHRUNG - BIOLOGIE - 2025

Die Archaea-Domäne oder das Archaea- Königreich repräsentiert eine der drei Domänen des Lebens. Es besteht aus mikroskopisch kleinen einzelligen prokaryotischen Organismen, die sich in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich und gleichzeitig stark von Bakterien und Eukaryoten unterscheiden.

Die Existenz dieser Gruppe wurde vor kurzem, mehr oder weniger Ende der 1970er Jahre, von einer Gruppe von Forschern unter der Leitung von Carl Woese nachgewiesen, die der Ansicht waren, dass das Leben in Eukaryoten und zwei Arten prokaryotischer Organismen unterteilt werden könnte: Bakterien und Archaeen, auch Archaebakterien genannt.

Heiße Quellen "Morning Glory" im Yellowstone-Nationalpark, USA, deren Farbe von Archaeen angegeben wird (Quelle: ZYjacklin über Wikimedia Commons) Die Studien von Woese und Mitarbeitern basierten auf vergleichenden phylogenetischen Analysen zwischen den ribosomalen RNA-Sequenzen aller Lebewesen, und die Vorstellung der drei Domänen bleibt erhalten, trotz der immensen Menge an Sequenzen, die weiterhin zu ribosomalen RNA-Katalogen (Datenbanken) hinzugefügt werden.

Diese Studien konnten die Möglichkeit erkennen, dass Archaeen trotz ihrer Ähnlichkeit mit ihren prokaryotischen Gegenstücken (Bakterien) eine Schwestergruppe der Eukaryoten sind, sodass sie das "fehlende Bindeglied" zwischen Prokaryoten und Eukaryoten darstellen könnten.

Obwohl es nur wenige gibt, die sich der Erforschung von Archaeen widmen und diese Gruppe von vielen Biologiestudenten völlig ignoriert wird, wird angenommen, dass diese Mikroorganismen mehr als 20% aller in ozeanischen Gewässern vorhandenen Prokaryoten zwischen 1 und 1 ausmachen 5% in Böden und die dominierende Gruppe in marinen Sedimenten und geothermischen Lebensräumen.

Darüber hinaus sind Archaeen dadurch gekennzeichnet, dass sie unter "extremen" Bedingungen wie heißen Quellen, Salzlösungen, Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen und sehr saurem pH-Wert, unwirtlichen Orten mit sehr niedriger oder null Sauerstoffkonzentration usw. leben.

Diese Mikroorganismen sind von großer ökologischer Bedeutung, da sie an vielen biogeochemischen Kreisläufen beteiligt sind und beispielsweise zum Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf beitragen.

Evolutionärer Ursprung und phylogenetische Beziehungen

Es gibt drei Theorien über den möglichen Ursprung der drei von Woese und Kollegen vorgeschlagenen Lebensbereiche:

1. Die Bakterien gingen zuerst auseinander und bildeten eine Linie, die Archaeen und Eukaryoten produzierte.
2. Eine "proto-eukaryotische" Linie unterschied sich von einer vollständig prokaryotischen Linie (der von Bakterien und Archaeen).
3. Archaea weicht von einer Linie ab, aus der später Eukaryoten und Bakterien hervorgingen

1989 schlugen zwei Forscher, Gogarten und Iwabe, unabhängig voneinander einen Weg vor, alle lebenden Organismen phylogenetisch zu analysieren (was aus Einzelgensequenzstudien nicht möglich ist).

Iwabe nutzte die Analyse der Sequenzen von Genen, die in "frühen" Ereignissen der Gen-Duplikation erzeugt wurden, und "verwurzelte" den Baum des Lebens aus dem Vergleich der Sequenz von Paralog-Genen, die für Elongationsfaktoren kodieren.

Elongationsfaktoren sind GTP-bindende Proteine, die an der Translation beteiligt sind, insbesondere an der Bindung von amyoacylierten Transfer-RNA-Molekülen an Ribosomen und an der Translokation von Peptidyl-Transfer-RNA.

Nach den Ergebnissen der Vergleiche zwischen den Sequenzen der drei Gruppen sind die Gene, die für die Elongationsfaktoren in Archaeen kodieren, denen von eukaryotischen Organismen ähnlicher als denen von Bakterien.

Der Baum des Lebens (Quelle: Datei: Collapsed Tree Labels simplified.png Der ursprüngliche Uploader war TimVickers bei English Wikipedia. Übersetzung ins Galizische von Elisardojm über Wikimedia Commons) Duplikation, insbesondere von solchen, die für die V-Typ- und F-Typ-Untereinheiten des ATPase-Enzyms kodieren, die in Archaea / Eukaryoten bzw. Bakterien gefunden werden.

Die von Gogarten erhaltenen Ergebnisse zeigen, wie oben erwähnt, dass diese Gene in Archaeen (die vermutlich auf genetische Duplikationsereignisse zurückzuführen sind) enger mit Eukaryoten verwandt sind als mit ihren bakteriellen Gegenstücken.

Diese Argumente wurden auch durch die Analyse gestützt, die viele Jahre später von anderen Forschern durchgeführt wurde, die Sequenzen aus einer anderen Familie duplizierter Gene verwendeten, nämlich die der Aminoacylsynthetasen, die RNAs übertragen, was die Konzeption der "Nähe" zwischen Archaeen und Eukaryoten stärkte.

Woeses Baum

Woeses Lebensbaum

Woese verwendete die von Gogarten und Iwabe durchgeführten Analysen und andere Studien zu ribosomalen RNA-Sequenzen, um seine "Version" des Lebensbaums vorzuschlagen, in der sich herausstellt, dass Archaeen und Eukaryoten "Schwestergruppen" sind, die von den getrennt sind Bakterien, obwohl die ribosomalen RNA-Sequenzen zwischen Archaeen und Bakterien einander ähnlicher sind.

Allgemeine Merkmale der Archaea-Domäne

Archaea sind bekannt für einige ganz besondere Merkmale (ihre eigenen) und auch für die Darstellung von „Kombinationen“ von Merkmalen, von denen früher angenommen wurde, dass sie ausschließlich Bakterien oder eukaryotischen Organismen vorbehalten sind.

- Archaea sind wie Bakterien prokaryotische Organismen , dh das genetische Material ist nicht von einer Membran umgeben (sie haben keinen Kern) und es gibt keine membranösen zytoplasmatischen Organellen.

- Sie sind im Allgemeinen Mikroorganismen von ähnlicher Größe wie Bakterien, ihre DNA liegt in Form eines zirkulären Chromosoms und einiger kleinerer zirkulärer Fragmente vor, die als Plasmide bekannt sind .

- Sie teilen das Vorhandensein ähnlicher Topoisomerase- und Gyraseenzyme mit Bakterien, was einen „indirekten“ Beweis für die „Nähe“ in Bezug auf die Chromosomenstruktur beider Gruppen von Organismen darstellt.

- Archaea-Gene weisen jedoch eine große Homologie mit vielen eukaryotischen Genen auf, insbesondere mit solchen, deren Entdeckung aus Studien mit Antibiotika stammt.

- Die Maschinerie zur Replikation , Transkription und Translation von Eukaryoten und Archaeen ist sehr ähnlich, insbesondere im Hinblick auf das DNA-Polymeraseenzym.

- Ihre Gene, die für Proteine ​​kodieren, haben keine Introns (andere jedoch), ansonsten die eukaryotischen Gene. Darüber hinaus haben Archaeen Histon-ähnliche Proteine, die mit ihrer DNA assoziiert sind, in Eukaryoten vorhanden sind und in Bakterien fehlen.

- Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein von Isoprenyletherlipiden in ihren Zellmembranen sowie durch das Fehlen von Acylesterlipiden und einer Fettsäuresynthetase aus.

- Eine der Untereinheiten seines RNA-Polymerase-Enzyms ist geteilt und seine Messenger-RNAs haben, wie bei Bakterien, an ihren 5'-Enden keine "Hauben" (von der englischen Kappe).

- Sie haben einen sehr spezifischen Empfindlichkeitsbereich gegenüber Antibiotika und Restriktionsenzyme vom Typ II , die denen für Bakterien sehr ähnlich sind.

- Ein weiteres wichtiges Merkmal hat damit zu tun, dass ein großer Teil der Archaeen eine Zellwand aufweist , die jedoch im Gegensatz zu Bakterien nicht aus Peptidoglycan besteht.

Eigenschaften seiner Membranlipide

Die Membranlipide von Archaeen unterscheiden sich erheblich von denen in Bakterien und eukaryotischen Organismen, und dies wurde als ein sehr wichtiges Unterscheidungsmerkmal angesehen.

Der Hauptunterschied zwischen diesen amphipathischen Molekülen (mit einem hydrophilen polaren und einem hydrophoben unpolaren Ende) besteht darin, dass die Bindung zwischen dem Glycerinanteil und den Fettsäureketten in Archaea-Lipiden über eine Etherbindung erfolgt, während in der Bakterien und Eukaryoten entsprechen einer Esterbindung.

Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass Archaeen Lipide mit Fettsäuren aufweisen, die durch hochverzweigte Isoprenylketten mit Methylgruppen gekennzeichnet sind, während Eukaryoten und Bakterien überwiegend unverzweigte Fettsäuren aufweisen.

Die Lipide von Eukaryoten und Bakterien werden auf einem Glyceringerüst "aufgebaut", zu dem die Fettsäureketten an den Positionen verestert sind, die den Kohlenstoffatomen 1 und 2 entsprechen, aber in Archaea enthalten Glycerinether Säuren Fett in den Positionen 2 und 3.

Ein weiterer Unterschied in Bezug auf Membranlipide hängt mit ihrem Biosyntheseweg zusammen, da einige Enzyme auch in Archaeen unterschiedlich sind.

Beispielsweise haben einige Arten von Archaeen ein bifunktionelles Prenyltransferaseenzym, das für die Bereitstellung der Vorläufer sowohl für die Synthese von Squalen als auch für die Synthese von Glyceryl-Lipid-Isoprenoiden verantwortlich ist. In Bakterien und Eukaryoten werden diese Funktionen von getrennten Enzymen ausgeführt.

Klassifikation der Archaeen

Nach den Daten der Sequenzen der kleinen Untereinheiten der ribosomalen RNAs der Archaeen wurde diese Gruppe hauptsächlich in zwei "Phyla" unterteilt, die als Phylum Crenarchaeota und Phylum Euryarchaeota bekannt sind und deren Mitglieder sich oben befinden alle in vitro gezüchteten Archaeen.

Viele der kürzlich beschriebenen Archaeen wurden jedoch nicht in vitro kultiviert und sind nur entfernt mit Sequenzen verwandt, die aus in Laboratorien gehaltenen Arten isoliert wurden.

Phylum Crenarchaeota

Diese Gruppe wird hauptsächlich von hyperthermophilen und thermoacidophilen Archaeenarten gebildet, dh von Archaeengattungen, die in unwirtlichen Umgebungen mit extremen thermischen und pH-Bedingungen leben.

Es besteht aus einer einzigen taxonomischen Klasse, die als Thermoprotei bekannt ist und in der die folgenden fünf taxonomischen Ordnungen enthalten sind: Acidilobales, Desulfurococcales, Fervidicoccales, Sulfolobales und Thermoproteales.

Beispiele für einige der zu diesen Klassen gehörenden Gattungen können die Gattungen Sulfolobus, Desulforococcus, Pyrodictium, Thermoproteus und Thermofilum sein.

Phylum Euryarchaeota

Die Mitglieder dieser Gruppe haben ein etwas breiteres ökologisches Spektrum und können darin einige hyperthermophile, methanogene, halophile und sogar thermophile methanogene Spezies, denitrifizierende Archaeen, schwefelreduzierende, eisenoxidierende und einige Organotrophe finden.

Die für Euriarchaeoten beschriebenen taxonomischen Klassen sind acht und als Methanopyri, Methanokokken, Methanobakterien, Methanomikrobien, Archaeglobi, Halobakterien, Thermokokken und Thermoplasmata bekannt.

Viele der zu dieser Gruppe gehörenden Archaeen sind weit verbreitet und kommen in Böden, Sedimenten und Meeresgewässern sowie in den beschriebenen extremen Umgebungen vor.

Phylum Thaumarchaeota

Dieses Phylum wurde vor relativ kurzer Zeit definiert und nur sehr wenige der dazugehörigen Arten wurden in vitro kultiviert, so dass über diese Organismen wenig bekannt ist.

Alle Mitglieder der Schneide beziehen ihre Energie aus der Oxidation von Ammoniak und sind weltweit in Süßwasserkörpern, Böden, Sedimenten und Thermalwässern verteilt.

Phyla Korarchaeota , Aigarchaeota und Goarchaeota

Einige Fachleute, die auf der Analyse genomischer Sequenzen basieren, haben kürzlich die Existenz von drei zusätzlichen Phyla im Königreich Archaea festgestellt, obwohl die für diese Phyla vorgeschlagenen Arten noch nicht in einem Labor isoliert wurden.

Im Allgemeinen wurden Mitglieder dieser Phyla unter der Oberfläche vieler terrestrischer und mariner Ökosysteme gefunden, aber auch in heißen Quellen und hydrothermalen Tiefseesystemen.

Ernährung

Die meisten Arten von Archaeen mit chemotrophen Organismen, dh sie sind in der Lage, stark reduzierte anorganische Verbindungen zu verwenden, um die Energie zu erhalten, die sie benötigen, um ihre Stoffwechselmaschinerie zu "bewegen", insbesondere die, die mit Atmung zu tun hat.

Die "Spezifität" für die anorganischen Moleküle, die sie als Substrate zur Energieerzeugung verwenden, hängt von der Umgebung ab, in der sich die jeweilige Spezies entwickelt.

Andere Archaeen sowie Pflanzen, Algen, Bryophyten und Cyanobakterien sind zur Photosynthese fähig, dh sie nutzen und wandeln die Lichtenergie der Sonnenstrahlen in nutzbare chemische Energie um.

Es wurde gezeigt, dass einige Archaeen den Magen (Pansen) einiger Wiederkäuer (darunter Kühe, Schafe, Ziegen usw.) bewohnen, weshalb diese als "wechselseitige Archaeen" eingestuft werden, da sie verzehren Teil der Faser, die diese Tiere aufnehmen und mit der Verdauung einiger ihrer Bestandteile zusammenarbeiten.

Reproduktion

Archaeen sind wie Bakterien einzellige Organismen, deren Fortpflanzung ausschließlich asexuell ist. Die Hauptmechanismen, die von den in vitro gehaltenen Arten beschrieben werden, sind:

- Binäre Spaltung, bei der jeder Bogen in zwei Hälften "geteilt" wird, um zwei identische Zellen zu erzeugen

- Knospung oder "Fragmentierung", bei der Zellen "Fragmente" oder "Teile" von sich selbst abgeben, die in der Lage sind, neue, genetisch identische Zellen zu bilden.

Lebensraum

Archaea wurden hauptsächlich mit „extremen“ Umgebungen in Verbindung gebracht, d. H. Mit natürlichen Orten, die die normale Entwicklung von Lebewesen ernsthaft einschränken, insbesondere in Bezug auf Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt, Anaerobiose (Sauerstoffmangel) usw. ;; Deshalb ist ihre Studie äußerst interessant, da sie einzigartige Anpassungen aufweisen.

Die neuesten molekularen Analysetechniken zur Identifizierung nicht kultivierter Mikroorganismenarten (isoliert und in vitro in einem Labor aufbewahrt) haben es jedoch ermöglicht, das Vorhandensein von Archaeen in alltäglichen Umgebungen wie dem Boden, dem Pansen einiger Tiere, nachzuweisen. unter anderem Meerwasser und Seen.

Die meisten der in der Natur identifizierten Archaeen werden jedoch nach ihrem Lebensraum klassifiziert. Die Begriffe "Hyperthermophile", "Acidophile" und "extreme Thermoacidophile", "extreme Halophile" sind in der Literatur bekannt. und "Methanogene".

Die von hyperthermophilen Archaeen besetzten Umgebungen sind solche, die durch sehr hohe konstante Temperaturen gekennzeichnet sind (weit über den "normalen" Temperaturen, denen die meisten Lebewesen ausgesetzt sind).

Die Umgebungen, in denen extreme Acidophile leben, sind dagegen solche, in denen der pH-Wert sehr niedrig ist, und diese können auch durch hohe Temperaturen (extreme Thermoacidophile) unterschieden werden, während die Umgebungen extremer Halophiler solche sind, in denen die Salzkonzentration sehr hoch ist .

Methanogene Archaeen leben in Abwesenheit von Sauerstoff oder Anaerobiose in Umgebungen, in denen sie andere Moleküle als Elektronenakzeptoren in ihrem Stoffwechsel verwenden können und Methan als metabolisches "Abfallprodukt" produzieren können.

Beispiele für Archaeenarten

Es gibt zahlreiche bekannte Arten von Archaeen, von denen hier jedoch nur einige erwähnt werden.

Ignicoccus hospitalis und Nanoarchaeum equitans

I. hospitalis gehört zur Gattung der Crenarqueoten, die als Ignicoccus bekannt ist, und ist ein chemolithoautotropher Organismus, der molekularen Wasserstoff als Elektronendonor für die Schwefelreduktion verwendet. Diese Art hat das kleinste Genom aller bisher in vitro beschriebenen Archaeen.

I. hospitalis verhält sich wie ein "Parasit" oder "Symbiont" einer anderen Art: Nanoarchaeum equitans. Letzteres wurde nicht in vitro kultiviert und sein Genom ist das kleinste aller beschriebenen nicht kultivierten Archaeen.

Es lebt hauptsächlich in Meeresumgebungen und besitzt keine Gene für die Lipid-, Aminosäure-, Nukleotid- oder Cofaktorbiosynthese. Experimentelle Hinweise deuten darauf hin, dass es diese Moleküle dank seiner Wechselwirkung mit I. hospitalis erhält.

Acidilobus saccharovorans

Dies ist eine Art von thermoacidophilen anaeroben Archaeen, das heißt, sie lebt in armen Umgebungen oder völlig ohne Sauerstoff, mit hohen Temperaturen und extrem niedrigem pH-Wert. Es wurde erstmals in terrestrischen heißen Quellen in Kamtschatka gefunden.

Staphylothermus hellenicus

Diese Archa gehört zum Rand der Crenarqueotas, speziell zur Ordnung der Desulfurococcales. Es ist eine hyperthermophile heterotrophe Archaee (sie lebt in sehr heißen Umgebungen) und benötigt Schwefel zur Energiegewinnung.

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