Материал: Shpora_gos_kaf_biopoch
Представленная в Определителе бактерий Берги система классификации является строго идентификационной и не решает задачи выявления эволюционных связей между прокариотами. В то ж время конечной целью является построение такой системы, в основе которой лежали бы родственные связи между прокариотными организмами. Первая попытка в этом направлении при надлежит 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. XX в. 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%. (Колебания нуклеотидного состава ДНК у эукариотных микроорганизмов (молярная доля, %): грибы - 26-70, водоросли - 37-68, простейшие - 22- 68; у высших растений и животных - 35-45. Колебания в составе оснований ДНК вирусов приблизительно такие же, как у прокариот).
Однако ГЦ-показатель дает возможность только для грубого сравнения геномов. Если организмы имеют одинаковый нуклеотидный состав ДНК, возможно и сходство и различие между ними, поскольку генетическое кодирование основано не только на определенном содержании оснований в единице кодирования (триплете), но и на их взаимном расположении.
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., Сэмбрука Дж. Молекулярное клонирование. - М.: Мир, 1984). В то же время часто несовпадение выводов, сделанных на основании фенотипических признаков и ДНК- гибридизации. В целом значение данных о строении ДНК для систематики прокариот огромно, так как позволяет перейти от установления степени сходства к выводам о степени родства между организмами.
Помимо анализа молекул ДНК для установления степени родства между прокариотными организмами разработаны методические подходы, позволяющие сравнивать продукты отдельных генов, выполняющие в клетке одинаковые функции. Это могут быть белки (ферредоксины, цитохромы и др.) или рРНК.
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. Особенностью рРНК является нахождение вне сферы действия отбора, поэтому данные молекулы эволюционирут в результате спонтанных мутаций, происходящих с постоянной скоростью, и накопление таких мутаций зависит только от времени. Таким образом, мерой эволюционного расстояния между организмами служит количество нуклеотидных замен в молекулах сравниваемых рРНК.
Известно, что в рибосомах прокариот и эукариот присутствуют З типа рРНК, различающихся молекулярной массой и коэффициентом седиментации. Информационная емкость крупных молекул больше, но их труднее анализировать. Поэтому 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 .
19. Вертикальная ярусность микробов и их функции в различных экосистемах (бгц).
Вертикально-ярусный подход - исследования микробных комплексов во всех ярусах: надземном (филлоплана), наземном (подстилка, мох и лишайники, напочв. разрастания водорослей), почвенном (все гор-ты). Раст. сообщества благодаря вертикально-ярусной организации в целом определяют пространственную организацию микробных сообществ в экосистемах. В лесных экосистемах при переходе от надземного яруса к наземному (подстилка) наблюдается резкое увеличение численности всех групп МО. Подстилку можно рассматривать как экотон – переход м/у филлопланой и почвой => богата видами, поскольку включает в себя представителей обоих сообществ + формы, свойственные самому экотону.
В напочвенных разрастаниях водорослей в самом верхнем слое доминируют грамотрицательные аэробные бактерии и стрептомицеты; микроаэрофилы-азот-фиксаторы (азоспириллы) — во втором ярусе, и бациллы и коринеподобные бактерии, питающиеся уже отмершими остатками водорослей, в третьем ярусе.
Аналогичная картина в лесных и степных подстилках: в верхнем слое —грамотрицательные аэробные и факультативно-анаэробные бактерии, дрожжи (питаются сахарами, а/к, орг. к-тами); ниже - нарастание доли сапробионтов, представленных миксобактериями, бациллами, актиномицетами, много грибов (гидролиз сложных раст. полимеров). В почвенном ярусе доминантами являются типичные педобионты как артробактер и стрептомицеты, очень много грибов (в том числе и микоризных).
Сверху вниз по ярусам нарастает общая биомасса и разнообразие микробов. Актиномицетов больше всего в подстилке (степном войлоке), грибов– в почве, а в подстилке чуть меньше, дрожжей – на растениях (филоплана), бактерий – в почве.
Микробные сообщества входят в каждый из ярусов или слоев в качестве постоянного и необходимого компонента. Как в альгобактериальных сообществах, так и в сложных фитоценозах с высшими растениями, существуют ярусы, четко различающиеся по функциям и таксономической структуре. Так, в галофильных матах слои оксигенного фотосинтеза, аноксигенного фотосинтеза и деструкционной зоны характеризуются специфическими таксонами. Это цианобактерии верхнего слоя, пурпурные и зеленые бактерии во втором слое, сульфатредукторы и метанобразующие бактерии в третьем.
В напочвенных разрастаниях водорослей в самом верхнем слое доминируют грамотрицательные аэробные бактерии и стрептомицеты, устойчивые к метаболитам водорослей и использующие их экссудаты в качестве питательных веществ; микроаэрофилы-азотфиксаторы (азоспириллы) — во втором ярусе, и бациллы и коринеподобные бактерии, питающиеся уже отмершими остатками водорослей, в третьем ярусе. Рост этих бактерий ингибируется прижизненными выделениями водорослей.
Аналогичная картина наблюдается в лесных и степных подстилках, где чередование слоев отражает сукцессию микроорганизмов, складывающуюся в процессе переработки растительного субстрата: в верхнем слое — это грамотрицательные аэробные и факультативно-анаэробные бактерии, начинающие процесс деструкции растительных остатков и использующие водорастворимые мономеры; при переходе к нижележащим слоям происходит нарастание доли сапробионтов, представленных миксобактериями, бациллами, актиномицетами, осуществляющими гидролиз сложных растительных полимеров.
В почвенном ярусе доминантами являются такие типичные педобионты, как артробактер и стрептомицеты. Гидролиз мертвых растительных остатков осуществляется как таксономически, так и функционально отличной от ассоциированных с живыми растениями группой бактерий, относящихся к ветви грамположительных прокариот. Это как аэробные (бациллы), так и анаэробные (клостридии) спорообразующие бактерии, а также различные представители класса актиномицетов, куда входят и Корине- и нокардиоподобные бактерии. Все они в отличие от класса протеобактерий (микрофлора рассеяния) обладают гидролазами, благодаря которым осуществляется деструкция сложных растительных полимеров.
В микробиологии такое направление, связанное прежде всего с ярусной организацией растительных сообществ, до последнего времени почти не развивалось, и при сравнении микробных сообществ разных природных зон анализировали в основном лишь гумусовый горизонт (А1) почвенного профиля. При таком подходе учитывалась весьма незначительная и большей частью не очень активная доля микробного населения почв. Так, из бактерий высевались из усредненных почвенных образцов в основном бациллы и актиномицеты, т.е. те формы, которые находятся в почве большей частью в виде покоящихся спор и конидий.
Хотя клетки архебактерий структурно относятся к прокариотному типу, они построены из макромолекул (липидов, полисахаридов, белков), многие из которых являются уникальными и не синтезируются ни эукариотами, ни эубактериями. Архебактерии осуществляют ряд биохимических процессов, не свойственных остальным живым организмам. На основании этого был сделан вывод, что архебактерии, по-видимому, представляют собой одну из самых древних групп живых существ.
Обнаружение в недрах мира прокариот группы архебактерий поставило заново вопрос о путях клеточной эволюции с момента возникновения некоей гипотетической первичной клетки.
Традиционная общая схема клеточной эволюции основываете на следующих предположениях: из популяции первичных клеток в результате целого ряда событий, приведших к повышению уровня клеточной организации, под давлением естественного отбора возникла популяция предковых прокариотных клеток, из которых в конечном итоге произошли разные группы прокариот. Маловероятно, чтобы предковые прокариотные клетки все были "на одно лицо". Единственная их общая черта - прокариотная организации ( табл. 1 ). Эукариотная клетка возникла в результате эндосимбиоза, в котором ядерно-цитоплазматическим компонентом, т.е. клеткой-хозяином, и эндосимбионтами, превратившимися впоследствии в митохондрии и хлоропласты, были существенно различающиеся между собой прокариотные клетки ( рис. 41 , А). Следствием такого взгляда на общий ход эволюции явилось признание двух основных царств живых организмов - Prokaryotae и Eukaryotae.
Новая схема клеточной эволюции исходит из признания сущетвующих трех фундаментально различающихся типов живых организмов: эубактерий, архебактерий и эукариот. Согласно этой схеме от общего гипотетического предка, получившего название "прогенота", эволюционировали три различные ветви прокариот: эубактерии , архебактерий и уркариоты. Уркариоты представлены ядерно-цитоплазматическим компонентом эукариотной клетки, включившим в себя в качестве эндосимбионтов представителей разных групп эубактерий, превратившихся в митохондрии и хлоропласты .
По целому ряду свойств на молекулярном уровне, и прежде всего по анализу 16-18S рРНК, выявленные три группы живых организмов значительно различаются между собой, что привело исследователей к выводу о приблизительно одинаковом "эволюционном" расстоянии между ними. На основании анализа 16S рРНК сделаны также первые попытки выяснить филогенетические взаимоотношения в группе эубактерий. Все изученные эубактерий в соответствии с вычисленными коэффициентами сходства оказались распределенными на 10 эволюционных ветвей. Наиболее неожиданный результат - обнаружение фотосинтезирующих эубактерий в 5 ветвях из 10, позволяющее сделать заключение о большем их родстве с определенными нефотосинтезирующими бактериями, чем между собой. Это позволяет по-новому подходить к проблеме происхождения разных видов фотосинтеза и фотосинтезирующих эубактерий.
Таким образом, 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 втом, что в основе прогрессивной эволюции эубактерий лежит совершенствование способов получения ими энергии.
Рассматривая динамику эмиссии С02 из исследуемых микрокосмов по слоям вертикально-ярусной структуры, можно выделить следующую закономерность: в надземном и наземном ярусах эмиссия С02 увеличивается при добавлении пектина.
При переходе к нижним слоям, к смешанному образцу подстилки и почве, следует отметить наибольшие значения эмиссии для образцов с хитином.
При анализе микробной биомассы во всех рассматриваемых экосистемах в надземных слоях установлено превалирование биомассы пектинолитических организмов, а в почвенных - главным образом – хитинолитических.
Используя структурный (биомасса) и функциональный (дыхание) показатель работы микробного сообщества, можно говорить о субстратной специфичности микроорганизмов для каждого яруса биогеоценоза. В наземных ярусах прослеживается преимущественное развитие пектинолитической, а в почвенном ярусе - хитинолитической составляющей микробной компоненты.
20. Филогенетическая структура метаболически активных прокариот в пространственно-сукцессионном (вертикально-ярусном) ряду.
Вертикально-ярусный подход - исследования микробных комплексов во всех ярусах: надземном (филлоплана), наземном (подстилка, мох и лишайники, напочв. разрастания водорослей), почвенном (все гор-ты). Раст. сообщества благодаря вертикально-ярусной организации в целом определяют пространственную организацию микробных сообществ в экосистемах. В лесных экосистемах при переходе от надземного яруса к наземному (подстилка) наблюдается резкое увеличение численности всех групп МО. Подстилку можно рассматривать как экотон – переход м/у филлопланой и почвой => богата видами, поскольку включает в себя представителей обоих сообществ + формы, свойственные самому экотону.
В напочвенных разрастаниях водорослей в самом верхнем слое доминируют грамотрицательные аэробные бактерии и стрептомицеты; микроаэрофилы-азот-фиксаторы (азоспириллы) — во втором ярусе, и бациллы и коринеподобные бактерии, питающиеся уже отмершими остатками водорослей, в третьем ярусе.
Аналогичная картина в лесных и степных подстилках: в верхнем слое —грамотрицательные аэробные и факультативно-анаэробные бактерии, дрожжи (питаются сахарами, а/к, орг. к-тами); ниже - нарастание доли сапробионтов, представленных миксобактериями, бациллами, актиномицетами, много грибов (гидролиз сложных раст. полимеров). В почвенном ярусе доминантами являются типичные педобионты как артробактер и стрептомицеты, очень много грибов (в том числе и микоризных).
Сверху вниз по ярусам нарастает общая биомасса и разнообразие микробов. Актиномицетов больше всего в подстилке (степном войлоке), грибов– в почве, а в подстилке чуть меньше, дрожжей – на растениях (филоплана), бактерий – в почве.
Структура лесных подстилок.
Бактерии: Протеобактерии – доминирующая группировка в подстилке, особенно в верхнем слое L (попадают с опадом). Питание переходит с эккрисотрофного на сапротрофное -> начинается процесс деструкции раст. остатков. В нижних слоях подстилки (F+H) появляются спорообразующие бактерии (bacillus, разруш.крахмал и пектин), цитофаги и миксобактери (разруш.целлюлозу); увеличивается доля стрептомицетов (хитин) и целлюломонад – все принадлежат к функц.группе гидролитиков, являются L- и K-стратегами.=> в нижних слоях подстилки происходит более глубокая переработка раст.остатков – расщепляются сложные полимеры. В подстилке есть копиотрофы, гидролитики и олиготрофы, представленные разными родами.
Актиномицеты:
Максимальная численность - в подстилке (миллионы КОЕ\г). Доминанты во всех ярусах – стрептомицеты (исключение – слои моховой подстилки ельников). Представители: Streproverticillium, Micromonospora, Nocardia.
2. Гидролитическая деятельность почвенных микроорганизмов.
Содержание.